De nietige voorouders van bijna alles wat leeft

Archaea: weinigen weten van hun bestaan. Toch zijn deze micro-organismen één van de drie typen leven op aarde. En ze stonden aan de basis van ons.

Opname met een elektronenmicroscoop van het archeon Sulfolobus. Dit archeon groeit het snelst bij 80 graden celsius. ANP/Science Photo

Archaea. Ar-gee-aa. Enkelvoud: archaeon. Wie geen bioloog is, heeft waarschijnlijk nooit van ze gehoord. Ze hebben niet eens een lemma in de dikke Van Dale. Maar de archaea vormen één van de drie hoofdgroepen van het leven op aarde. Eukaryoten (‘cellen met een kern’), bacteriën, archaea.

Archaea zijn micro-organismen. Onder de microscoop lijken ze op bacteriën, maar ze zijn even verre familie van bacteriën als wij. De Amerikaanse microbioloog Carl Woese onderscheidde archaea in 1977 voor het eerst als het ‘derde domein’ van het leven. Dat was zo’n baanbrekend inzicht dat het nog lang duurde voor het serieus genomen werd.

Archaea zijn overal. In onze darmen, in zee, in de bodem. En ze spelen een hoofdrol in het verhaal van de evolutie. Steeds sterker worden de aanwijzingen dat zíj de voorouders zijn van ons, in brede zin. Uit de nietige archaea lijken, twee miljard jaar geleden, de veel grotere en ingewikkeldere cellen met een kern, de eukaryoten, te zijn ontstaan. Dat zijn de cellen van dieren, planten, schimmels, en van alle eencelligen van malariaparasiet tot pantoffeldiertje.

Studio NRC

Over die evolutionaire rol van de archaea werd vorig jaar de tot nu toe meest spectaculaire vondst gedaan. Thijs Ettema, een Nederlandse bioloog met een eigen onderzoeksgroep aan Uppsala Universitet, publiceerde op 14 mei in Nature over de vondst van een ongekend complex archaeon in de zee bij Noorwegen, dat hij Lokiarchaeum doopte.

„Deze jongens zijn de zustergroep van de eukaryoten”, zegt hij er over in zijn werkkamer in het Zweedse universiteitsstadje. Ettema (1977) werkt er sinds 2006. Nu telt zijn lab achttien onderzoekers – bijna iedereen is jonger dan 35.

„We hadden van de Universiteit van Bergen zeebodemmonsters gekregen die verzameld waren rond een hydrothermal vent, een onderzeese hete bron bij Noorwegen die Loki’s Castle genoemd wordt. We hadden aanwijzingen dat daar interessante archaea te vinden zouden zijn.”

Hij vond ‘Loki’ niet vlak bij die hete bron, maar 10 à 15 kilometer verderop, in de koude zeebodem. „Het allereerste monster was raak.”

Ettema’s Zweeds/Noorse team, met postdoc Anja Spang als eerste auteur, reconstrueerde uit dat bodemmonster het DNA-pakket van Lokiarchaeum. Ettema: „Toen we het genoom in handen hadden, zagen we dat eukaryoot-achtige genen er deel van uitmaken.”

Er staat geen foto van Loki op deze pagina’s. Want hij is niet in een laboratorium te kweken. Loki liet zich zelfs niet onder een microscoop leggen. Dat is niet ongewoon: het afgelopen decennium zijn vrijwel alle ontdekkingen over bacteriën en archaea in de natuur gedaan door enkel hun DNA uit bodem- of watermonsters te isoleren.

Sinds kort is het zelfs mogelijk om het DNA van één soort eruit te filteren, en het in de computer aan elkaar te puzzelen. Zo kreeg het Scandinavische team een beeld van Loki, een organisme dat een traag bestaan moet leiden in de voedselarme, zuurstofloze zeebodem. Hij heeft ongeveer 5.500 genen.

Ongeveer 175 van die genen lijken op die van eukaryote cellen. Hun tegenhangers in dieren en amoeben geven de cellen hun vorm en verzorgen transport van moleculen door de cel. Ettema: „Inmiddels hebben we ook genen gevonden waarmee eukaryote cellen blaasjes vormen.” Dat zijn onderscheidende eigenschappen van eukaryote cellen.

„Sinds we Loki vonden hebben we nog een handvol ‘broertjes’ ontdekt”, vertelt Ettema nadat hij espresso heeft gezet met het barista-apparaat van de vakgroep – zijn antwoord op de slappe Zweedse filterkoffie. Ettema noemde de soorten naar Noorse goden als Thor en Odin. „We vinden ze niet alleen in de diepzee, maar ook in warme bronnen in Yellowstone, in riviersedimenten, aan de kust. De unieke eukaryote kenmerken van Loki vinden we ook in die andere archaea.”

Bol of plat

Onder de microscoop zijn archaea niet te onderscheiden van bacteriën. Ze zijn allebei onzichtbaar klein (pakweg 1 à 3 duizendste millimeter) en zien eruit als korrels. Er zijn bolle, platte, langwerpige, en soms hebben ze een zweepstaart. Hun DNA, dat ringvormig is, zit los in de cel, want ze hebben geen celkern.

Maar onder de gelijkenissen gaapt een schisma uit het diepste verleden van de aarde. Bacteriën en archaea verschillen in de meest fundamentele celprocessen, zoals het aflezen van DNA en het maken van eiwitten.

Misschien, zo opperde de Britse biochemicus Nick Lane vorig jaar in zijn boek The vital question, verschilde het genetisch materiaal van bacteriën en archaea zelfs al van elkaar voordat de eerste cellen zo’n 3,5 miljard jaar geleden ontstonden. Zeker is: in de daaropvolgende anderhalf miljard jaar – grofweg tot 2 miljard jaar geleden – bestond het leven op aarde uit deze kleine krabbelaars, de ‘prokaryoten’ (cellen zonder kern).

Toen was daar, plotseling, de cel-met-kern die de basis zou gaan vormen voor alles van cyclaam tot cicade, en die in niks lijkt op de micro-organismen die er daarvóór waren. Eukaryote cellen zijn duizend tot tienduizend keer zo groot als die van prokaryoten. Hun DNA is niet ringvormig, maar bestaat uit lange chromosomen. En eukaryote cellen bevatten allerlei onderdelen die prokaryoten missen. Een kern waarin het DNA zit. Een celskelet dat kan uitstulpen. Een ingewikkeld systeem voor ‘pakketpost’.

Het ontstaan van eukaryote cellen is een groot vraagstuk. Van maar één cruciaal onderdeel van de eukaryote cel is het ontstaan goed begrepen. De mitochondriën, de celorgaantjes die energie leveren, ontstonden uit opgeslokte bacteriën. Die ‘endosymbiose’ moet letterlijk de motor zijn geweest om al die nieuwe onderdelen van energie te voorzien. Maar hoe ontstond de rest?

Van geleidelijke evolutie is geen spoor. Al het moderne leven is óf prokaryoot, óf eukaryoot. En een overgangsvorm, een missing link, is nooit gevonden. Maar genetische stambomen, die steeds beter en completer worden, wijzen er sinds een paar jaar wel op waar die voorouder gezocht moet worden: bij de archaea. „Met de ontwikkeling van betere modellen voor evolutie zien we de stambomen in die richting verschuiven”, schreef de Ierse bio-informaticus James McInerney in juni 2014 in Nature Reviews Microbiology.

Zoals het er nu uitziet, komt het team van Thijs Ettema het dichtst bij die overgangsvorm, met Loki en de andere Noorse goden. In september in Philosophical Transactions B wees hij zes nieuwe archaea aan. Ze zijn niet nauw aan elkaar verwant, maar staan allemaal dicht bij eukaryoten in de stamboom van het leven.

En allemaal hebben ze genen voor iets dat lijkt op een celskelet en cellulaire pakketpost. „Er zitten unieke dingen in die data”, zei Ettema deze week nog. „We zijn het aan het opschrijven.”

Sedimenten

Twee grote vragen wachten op antwoord. Ten eerste: wat doen de Loki-achtigen met die genen? Gedragen die ‘eukaryote’ genen zich in archaea zoals in echte eukaryoten? Ettema: „Om daarachter te komen, moet je ze kweken. Met de oorspronkelijke Loki is dat een probleem.”

Ettema’s Noorse collega Steffen Jørgensen probeert Loki te isoleren uit de zeebodem. Maar de hoeveelheid cellen in de bodem is extreem laag, en de bodemdeeltjes zijn even klein als de cellen. Het is zoeken naar een speld in een hooiberg. Ettema: „En er is kans dat de cellen kapot gaan als ze na de grondboringen aan zuurstof worden blootgesteld.”

Kweken is nóg lastiger. Geschat wordt dat cellen in de koude zeebodem zich één keer per jaar delen. „Die groeit dus ontzettend langzaam. Ik geef de Loki’s van warmere plekken dus meer kans. We zijn bezig om dat op poten te zetten.”

De tweede kwestie voelt als de eerste stap in een donker woud.

Als een bioloog met enkele goed gemikte graaien in zee- en zoetwaterbodems totaal nieuwe organismen kan ontdekken – wat betekent dat?

Ettema sprak in zijn artikel in september van de ‘microbiële donkere materie’. Met de „universele” standaardmethoden om DNA uit bodem- of watermonsters te vermenigvuldigen, bleken de Loki’s niet te detecteren. Was Ettema niet op het idee gekomen om een andere methode te gebruiken, dan waren ze nooit gevonden.

Zo zijn er meer voorbeelden. In juli 2015 meldden Amerikaanse microbiologen in Nature dat ze, ook via zo’n alternatieve detectiemethode, een heel nieuwe groep bacteriën hadden ontdekt – een groep die misschien wel 15 procent van alle bacterietypen op aarde vertegenwoordigt.

Vreemder is de EM-foto die het Journal of Electron Microscopy al in september 2012 publiceerde, van een mysterieuze cel. Hij zat verstopt tussen de borstels van een borstelworm, uit een onderzeese hete bron bij Japan. Het ding is te groot om een bacterie of een archaeon te zijn. Er zitten onduidelijke celstructuren in – zoals iets wat op een kern lijkt, maar dat niet is. DNA-informatie is er niet, en daar bleef het de afgelopen drie jaar bij.

„Er is zeker meer dan we kennen”, besluit Thijs Ettema. „Maar het is niet gemakkelijk om dat te vinden.”