Zwarte Zee-bacterie doet vragen rijzen over evolutie

Biologie Werpt een in zee gevonden bacterie nieuw licht op het begin van de evolutie? „De Zwarte Zee roept associaties op met de vroege aarde.”

Het onderzoeksschip van het NIOZ, de Pelagia, op de Zwarte Zee tijdens de expeditie waarbij ook de monsters uit het onderzoek zijn genomen.
Het onderzoeksschip van het NIOZ, de Pelagia, op de Zwarte Zee tijdens de expeditie waarbij ook de monsters uit het onderzoek zijn genomen. Foto Laura Villanueva

Diep in de Zwarte Zee hebben microbiologen van het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) een bacterie met een bijzonder jasje ontdekt. De bacterie combineert moleculen van twee compleet verschillende typen micro-organismen in zijn celmembraan. Het bestaan van bacteriën met een gemengd membraan werpt vragen op over de evolutie. Mogelijk had de laatste voorouder van ál het leven ook zo’n gemengd membraan, opperden de onderzoekers vorige week in het ISME Journal.

Microbiologen troffen het genetische materiaal van de bacterie aan in monsters die zijn genomen tussen 500 meter en twee kilometer diepte. „Dat was toeval, we waren niet specifiek naar deze bacteriën op zoek”, zegt microbioloog Laura Villanueva van het NIOZ. „Maar we wisten wel dat de Zwarte Zee een interessante plek is om microben te onderzoeken. De Zwarte Zee roept associaties op met de vroege aarde: weinig zuurstof in het water en veel waterstofsulfide.”

De Zwarte Zee (links), ten noorden van Turkije, vanuit de ruimte gezien. Een smalle zeestraat vormt de enige verbinding met de Middellandse Zee. Norman Kuring, NASA’s Ocean Biology Processing Group

Microbiologen maken een fundamenteel onderscheid tussen twee typen simpele eencelligen: de archaea (spreek uit: ar-gee-a) en de bacteriën. Archaea komen vaker voor onder extreme omstandigheden, zoals heetwaterbronnen of zoutmeren.

Onder een microscoop zijn archaea en bacteriën niet van elkaar te onderscheiden, maar hun biochemie verschilt als dag en nacht. Een van de grootste verschillen zit in het buitenste laag om de cel, het celmembraan. Het membraan van bacteriën bestaat voor een groot deel uit vetzuren. Archaea gebruiken in plaats daarvan moleculen die van isopreen zijn afgeleid.

Het verschil tussen bacteriën en archaea is zo absoluut, dat biologen ervan uitgaan dat de twee membraantypes extreem vroeg in de evolutie zijn ontstaan. Waarschijnlijk kort nadat de meest recente voorouder van ál het leven op aarde leefde. Deze hypothetische cel wordt LUCA genoemd (last universal common ancestor). Een hypothese is dat LUCA zonder celmembraan leefde, in poreus gesteente bijvoorbeeld. Archaea en bacteriën zouden dan later ieder hun eigen membraan hebben uitgevonden. Een alternatief idee is dat LUCA een gemengd membraan bezat en dat archaea en bacteriën ieder een verschillende set moleculen zijn kwijtgeraakt.

Bacterie groeide prima

Een probleem voor dat laatste idee is, dat er nog nooit een micro-organisme met een gemengd membraan was gevonden. Er werd zelfs betoogd dat zo’n membraan instabiel zou zijn en dat microben op lange termijn niet levensvatbaar zou zijn.

Maar in 2018 kreeg die aanname een knauw. Toen lukte het microbiologen uit Groningen en Wageningen om een labbacterie (Escherichia coli) zo te manipuleren dat het een gemengd membraan produceerde. De bacterie groeide prima. Sterker nog: het membraan was onder sommige omstandigheden zelfs stabieler.

En nu blijkt dat gemengde membranen ook in de natuur voor te komen. „Een interessante vinding”, reageert Thijs Ettema, hoogleraar microbiologie in Wageningen. „Het laat zien dat tussenvormen in de natuur voorkomen: een membraan hoeft in de evolutie niet plotseling compleet vervangen te worden.” Ettema wijst erop dat de onderzoekers hun conclusies trekken op basis van dna. Het is nog niet gelukt de bacterie in het lab te kweken. „Maken ze echt een gemengd membraan? En waarom doen ze dat? Dat zou ik wel willen weten.”