Zo zouden bacteriën en archaea kunnen zijn ontstaan uit de laatste gemeenschappelijke voorouder LUCA

Hoe leven ontstaan is blijft nog steeds een groot raadsel. Aan speculaties geen gebrek. Er zou ooit een gemeenschappelijke ‘voorouder’ zijn geweest, LUCA gedoopt (Engels afko voor laatste gemeenschappelijke voorouder). Onderzoekers van het University College in Londen hebben een supercomputer laten uitrekenen hoe LUCA zich ontwikkelde (zou kunnen hebben ontwikkeld) tot moderne cellen. LUCA zou een ‘lek’ membraan gehad hebben, wat zou verklaren waarom cellen zo’n ingewikkeld systeem hebben om energie te genereren en ook waarom de twee eencelligen (bacteriën en archaea) volslagen andere celmembranen hebben.

Het ‘lekke’ membraan zou LUCA in staat hebben gesteld energie uit zijn (haar?) omgeving te putten, terwijl de andere noodzakelijke levenscomponenten binnen het membraan bleven. De onderzoekers lieten de computer uitrekenen hoe het membraan veranderde om de nakomelingen van LUCA de mogelijkheid te geven in andere omstandigheden te overleven. Zo ontstonden er twee soorten eencelligen: de bacteriën en de archaea (ook wel lichtelijk verwarrend oerbacteriën genoemd), de onderkant van de levensboom.
Beide soorten hebben veel gemeenschappelijks zoals genen, eiwitten en de manier van aflezen van het DNA. Daarom werd aanvankelijk ook gedacht dat ze naaste familie waren. In de jaren ’70 veranderde dat beeld toen werd ontdekt dat de replicatie van DNA en de celmembranen geheel verschillend zijn. Als beide soorten ontstaan zijn uit LUCA, dan moest ‘uit te rekenen’ zijn hoe de structuur en de functies van LUCA zijn geweest.
De onderzoekers rond Nick Lane haalden uit de berekeningen dat LUCA zou hebben geleefd in zeewater, rijk aan protonen (de kern van een waterstofatoom), op de zeebodem bij openingen waaruit met warm alkalisch water stroomde, waar weinig protonen in hebben gezeten. Het verschil in concentratie van protonen zou het mogelijk gemaakt hebben dat die in de cel terechtkwamen, waar ze (mede) zorgden voor de productie van adenosinetrifosfaat (ATP), het energiemolecuul van de, ook moderne, cel. Dat zou alleen kunnen als het membraan lek was waardoor de protonen zich vrijelijk konden bewegen. Lane: “Wat we hebben aangetoond is dat de snelheid waarmee protonen in en uit de cel gaan hoog genoeg is om voor de energie te zorgen die nodig is voor groei van de cellen via eiwitten in het membraan. LUCA kan dus van energie voorzien zijn via de natuurlijke protongradiënten in de zee, maar alleen als het membraan goed lek was, anders dan bij moderne cellen.”
Om in een andere omgeving te kunnen overleven moest LUCA het membraan aanpassen. Volgens het rekenwerk zouden bacteriën en archaea volledig andere membranen en protonpompen hebben ontwikkeld om gebruik te kunnen blijven maken van de bestaande manier van energievoorziening. Dat zou ook verklaren waarom deze soorten zo verschillen op het gebied van DNA-replicatie. Onderzoeker Victor Sojo stelt dat het gebruikmaken van gradiënten (verschillen in concentraties) universeel is in levensprocessen. “Je loopt dan tegen een kip/ei-kwestie op. Het organisme LUCA maakt geen gradiënt als het die niet gebruikt, maar hoe leert het die te gebruiken als het die niet eerst maakt? Wij stellen voor dat het organsime gebruikt maakte van natuurlijke gradiënten. Die waren er al, gratis. Niet lekkende membranen moeten later ontwikkeld zijn. Dat verklaart waarom membranen bioenergetisch universeel zijn in bacteriën en archaea, hoewel protonpompen en membranen verschillend zijn.” In een vervolgonderzoek hopen Lane en zijn medewerkers de omgeving van de stromingen rond openingen in de zeebodem, gedacht als oorsprong van het leven, te kunnen ‘nabouwen’ om te zien hoe moleculen zich onder zulke omstandigheden gedragen.

Bron: Eurekalert