Bacteriële verwanten van mitochondriën zijn geïdentificeerd

Ruim 1,6 miljard jaar geleden gingen de voorouders van onze cellen een symbiose aan met bacteriën die sindsdien een onmisbare rol spelen in de celstofwisseling: mitochondriën verschenen. Een studie heeft nu levende zeebacteriën geïdentificeerd die mogelijk afstammelingen zijn van oude bacteriën. De nieuwe ontdekkingen maken daarmee een belangrijk stukje van de puzzel compleet in het decennialange debat over mitochondriale oorsprong.

Mitochondriën zijn de krachtpatsers van onze cellen. Tijdens cellulaire ademhaling halen ze energie uit suiker en zuurstof, waardoor ze beschikbaar komen voor onze cellen. Wetenschappers veronderstellen dat mitochondriale voorlopers, de zogenaamde protomitochondriën, ongeveer 1,6 tot 1,8 miljard jaar geleden door endosymbiose in andere cellen werden opgenomen. Een aanwijzing hiervoor is dat mitochondriën tot nu toe hun eigen DNA hebben en omgeven zijn door een dubbel membraan. Alleen door coëxistentie met de oorspronkelijke bacteriële krachtpatsers konden eukaryoten, dat wil zeggen cellen met een celkern, evolueren naar hun huidige vorm en zo de basis vormen voor de ontwikkeling van alle complexe organismen, van algen tot mensen.

Lijst met metabole kenmerken

“De exacte bacteriële oorsprong van de mitochondriën en dus ook de oorsprong van het aerobe metabolisme van onze cellen blijft controversieel, ondanks de uitgebreide genomische informatie die vandaag beschikbaar is”, legt een team uit onder leiding van Otto Geiger van de Autonome Universiteit van Mexico in Cuernavaca. . “We hebben verschillende methoden gecombineerd om de meest waarschijnlijke levende verwanten van primitieve bacteriën te identificeren waaruit mitochondriën zijn ontstaan.” Uit eerder onderzoek was al gebleken dat de voorouders van mitochondriën wellicht alfaproteobacteriën werden genoemd. Het geslacht van deze grote groep bacteriën waartoe ze behoren, is tot nu toe echter controversieel geweest.

Voor hun studie identificeerden Geiger en zijn team specifieke kenmerken die potentiële kandidaten moeten hebben. Dit omvat niet alleen het vermogen om zuurstof te metaboliseren, wat essentieel is voor het aërobe metabolisme van onze cellen, maar ook het vermogen om bepaalde vetstoffen, lipiden genaamd, te produceren. “Een van deze eigenschappen beïnvloedt enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme van cardiolipine, een typische prokaryote lipide die alleen in de mitochondriale membranen van eukaryote cellen wordt aangetroffen”, leggen Geiger en zijn team uit. “Het leidende principe van onze strategie is dat er bij de opkomst van de eerste eukaryote cel een genomische overdracht was van metabolische eigenschappen van een bacterie die vandaag levende nakomelingen zou kunnen hebben.”

Soortgelijke ecologische niche als in de oeroceaan

Met behulp van genetische gegevens analyseerden de onderzoekers welke van de proteobacteriën voldeden aan de criteria die hij stelde. Een groep parasitaire bacteriën die eerder werd voorgesteld als potentiële verwanten van mitochondriën, de parasiet genaamd Rickettsiales, werd uitgesloten omdat ze geen relevante metabolische eigenschappen hadden. “Onze nieuwe benadering geeft aan dat de proto-mitochondriale voorouder hoogstwaarschijnlijk gerelateerd was aan mariene alfabacteriën, die eerder niet in aanmerking waren genomen voor de evolutie van mitochondriën”, schreef het onderzoeksteam.

Dit resulteerde in de hoogste match met een bacterie van het geslacht Iodidimonadales, die voor het eerst werd beschreven in 2016. Deze mariene bacterie is in staat tot zowel aëroob als anaëroob metabolisme en wordt voornamelijk aangetroffen in omgevingsniches waar de zuurstofconcentratie in het water sterk varieert. “Deze omgeving zou kunnen lijken op de omstandigheden die heersten in de oceanen op het moment dat proto-mitochondrion evolueerde”, leggen Geiger en zijn team uit. “Onze bevindingen passen dus in het opkomende beeld dat bacteriën die het metabolisme met of zonder zuurstof kunnen reguleren, afhankelijk van de omgevingsomstandigheden, hoogstwaarschijnlijk proto-mitochondriale voorlopers waren.”

Bron: Otto Geiger (Center for Genome Sciences, UNAM Campus de Morelos, Cuernavaca, Mexico) et al., Science Advances, hier beschikbaar. doi: 10.1126/sciadv.adh0066

© wissenschaft.de – Elena Bernard