Een gastbijdrage van post-doc researcher Sidhartha Chafekar.
Honderden miljoenen jaren geleden vond een van de belangrijkste stappen in de evolutie van het leven plaats: de overgang van eencellig naar meercellig leven. Veel onderzoekers vermoeden dat deze stap zich waarschijnlijk meerdere keren (onafhankelijk van elkaar) en op verschillende tijden in de evolutie heeft voorgedaan. Dit heeft uiteindelijk geleid tot de vorming van het planten-, dieren- en schimmelrijk zoals wij het nu kennen. Evolutiebiologen tasten echter nog in het duister over hoe dat precies is gebeurd. Recent onderzoek met bakkersgist, verbluffend eenvoudig in opzet, schijnt een nieuw licht op deze belangrijke overgang van ééncellig naar meercellig leven.
Experimentele evolutie I: van oersoep naar eencellig leven?
Door zeer oude fossielen nauwkeurig te bestuderen komen we veel te weten over allerlei evolutie-vraagstukken. Fossielen met aanwijzingen over hoe de overgang van een- naar meercellig leven heeft plaatsgevonden zijn echter nog nauwelijks gevonden. Naast fossielen bestuderen, kan men evolutie ook bestuderen door gecontroleerde evolutie-experimenten uit te voeren. Een goed voorbeeld hiervan is het zeer befaamde evolutie-experiment uitgevoerd door Stanley Miller en Harold Urey in 1953. Zij probeerden de oersoep en oeratmosfeer (inclusief bliksem) na te bootsen, waaruit het leven 4,5 miljard jaar geleden op aarde zou zijn ontstaan. In het experiment werd een mengsel van methaan, ammoniak, waterdamp en waterstofgas, in een gesloten opstelling van glazen flessen en buizen, verwarmd en blootgesteld aan elektrische ontladingen.
Na een week analyseerden Urey en Miller het mengsel en vonden onder andere verschillende aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Er waren echter geen aanwijzingen dat DNA en RNA, het waarschijnlijke startpunt van ‘leven’, zich zou kunnen vormen in dit experiment. Nucleotiden, de bouwstenen van DNA en RNA, werden namelijkniet gevonden. Dit klassieke experiment was de eerste poging om het ontstaan van leven op aarde uit de zogenaamde oersoep aan te tonen. Een groot obstakel bij dit soort experimenten is dat ze gebaseerd zijn op hypothetische condities, omdat het nu eenmaal onmogelijk is de situatie van honderden miljoenen jaren geleden exact te kennen.
Experimentele evolutie II: van eencellig naar meercellig leven!
Gecontroleerde evolutie-experimenten kunnen echter wel de (on-)mogelijkheden van het evolutionaire proces in kaart brengen. Onderzoekers van de universiteit van Minnesota, zijn er onlangs in geslaagd om in een experiment daadwerkelijk de eerste stappen van de overgang van ééncellig naar meercellig leven aan te tonen. De onderzoekers gebruikten voor hun experimenten het eencellige micro-organisme Saccharomyces Cerevisiae, beter bekend als (bakkers)gist. Gist wordt in ons dagelijks leven gebruikt voor de productie van brood, bier en wijn. In de wetenschap is het een geliefd model voor allerlei onderzoek, omdat het makkelijk genetisch is aan te passen en het zich snel vermenigvuldigt.
Centrifuge als natuurlijke selectie
De onderzoekers groeiden gistcellen in kweekmedium. Ze centrifugeerden de cellen vervolgens heel kort, zodat zwaardere samengeklonterde cellen zich naar de bodem begeven. De onderzoekers namen vervolgens een klein beetje van geclusterde cellen van de bodem en verdunden dit in vers kweekmedium om de cellen verder te laten groeien. Op deze manier werd gedurende zestig generaties (één generatie = één verdunningsstap) geselecteerd op geclusterde gistcellen. De centrifugatie stap deed dus dienst als een vorm van natuurlijke selectie, of beter gezegd experimentele selectie, omdat het een makkelijk uitvoerbare manier is om te selecteren op zwaardere geclusterde cellen (misschien de primitiefste vorm van multicellulair leven). Op het eind bekeken de onderzoekers de gistcellen onder een microscoop en zagen dat de gistpopulatie werd gedomineerd door multicellulaire clusters, in de vorm van een sneeuwvlok, bestaande uit meerdere aanelkaar gehechte individuele cellen. Nu is het natuurlijk niet vreemd, dat als je selecteert op zwaardere cellen via centrifugatie dat je die multicellulaire clusters ook vindt. Maar zijn deze clusters nu ook echt een aparte vorm van leven? Kunnen ze zich bijvoorbeeld voortplanten?
Voortplanten en aanpassen
Deze meercellige clusters kunnen op twee manieren zijn ontstaan: (1) eencelligen plakken aan elkaar of (2) een gistcel deelt zich in tweeën, maar snoert niet volledig af. Waarbij de laatste manier het meest interessante proces is. Om te testen welke van deze twee hypothesen waar is, werden losse cellen van meercellige clusters ‘afgeknipt’. Deze ‘afgeknipte’ eencelligen werden vervolgens verder gegroeid en gevolgd door een op een microscoop aangesloten camera. Op het filmpje (Movie S01) is te zien dat elke cel apart uitgroeit naar een multicellulaire ‘sneeuwvlok’ via opeenvolgende onvolledige delingen, zonder dat ‘afgeknipte’ eencelligen aan elkaar gaan plakken.
Uit volgende experimenten bleek ook dat gehele sneeuwvlokken zich kunnen voortplanten (zie dit filmpje (Movie S02)). Ze kunnen zich aanpassen aan hun omgeving en individuele cellen binnen de sneeuwvlok kunnen zichzelf opofferen om de voortplanting van de gehele sneeuwvlok te vergemakkelijken.
Met een paar simpele, elegante experimenten laten de onderzoekers zien dat uit een van origine eencellig organisme (bakkersgist), een primitieve vorm van multicellulair leven kan ontstaan. Als onderzoekers op zo een eenvoudige manier meercellig leven kunnen laten ontstaan is het niet ondenkbeeldig dat ook buiten het lab, in het echte leven, nog evolutie van eencelligen naar meercelligen plaatsvindt. Misschien leiden deze nieuwe meercellige organismen over miljoenen jaren wel tot een heel nieuwe tak van leven.