Met stukjes si-RNA kunnen bepaalde genen tot zwijgen worden gebracht. Ideaal natuurlijk als dat gen toevallig essentieel is voor een kwaadaardige cholerabacil. Is dit de oplossing voor de antibioticacrisis? Het Pentagon denkt van wel.
Zo werkt siRNA. Een plasmide (mini-chromosoom) met DNA wordt in de bacterie in RNA gekopieerd. Dit SiRNA hecht zich aan de messenger RNA, waardoor de bacterie niet meer dat eiwit kan maken en sterft.
Antibiotica downloaden
In een wereld waarin steeds meer antibiotica onwerkzaam worden en apparatuur om eigen biologische ziekteverwekkers te ontwerpen binnen bereik komt van steeds meer zieke geesten, is een ding duidelijk. Het huidige systeem om ziekten te stoppen is hopeloos ouderwets. Het kost maanden om een werkend vaccin te bereiden, om van een werkend antibioticum nog maar te zwijgen. Vooral als biowapens worden ingezet is het letterlijk van levensbelang snel, heel snel, een biochemisch antwoord klaar te hebben staan, mocht een multiresistente ziekteverwekker klaar staan. DARPA, de onderzoekspoot van het Pentagon, heeft daarom een soort prijsvraag uitgeschreven voor onderzoekers die een methode kunnen ontwikkelen om snel si-RNA te produceren en dit in de vorm van nanodeeltjes te kunnen verspreiden in het lichaam van militairen.
Si-RNA: gen-blokkerend puzzelstuk
RNA is, zoals jullie als trouwe lezers van Visionair allemaal uiteraard weten, een soort afschrift van DNA, die weer door een ribosoom wordt vertaald in een eiwit. Si-RNA is RNA, maar dan met een basevolgorde die exact omgekeerd is van die van het RNA-afschrift (messenger-RNA) van een bepaald type gen. Het gevolg: het ribosoom kan het RNA niet meer lezen en dus kan dat eiwit niet meer gemaakt worden. Heel vervelend voor een bacterie die net bezig is je behoorlijk ziek te maken en dat eiwit nodig heeft om te groeien of om een bepaalde gifstof aan te maken. Die bacterie is er dan domweg geweest. Er zijn nog wat complicaties. Zo moet je er voor zorgen dat siRNA in de bacteriecel terecht komt (bacteriën hebben een stevige celwand). Omdat siRNA zeer specifiek op een bepaald gen werkt zijn er geen schadelijke neveneffecten: in andere bacteriën en menselijke cellen valt het instabiele RNA vanzelf uit elkaar.
Medikit
Helemaal mooi is natuurlijk een soort Star Trek-achtige medikit die voortdurend de laatste biopatterns downloadt uit een online database, met een RNA nanosampler het siRNA samenstelt, vermenigvuldigt en de soldaat of patiënt injecteert met siRNA dat op maat voor de laatste biologische dreigingen is geschreven. Toevallig afgestudeerd biogeneticus en naarstig op zoek naar een gig? Het DARPA voorstel schuift in de eerste fase ongeveer anderhalve ton in dollars.
Deze uitvinding gaat waarschijnlijk ook heel wat mensenlevens redden, dus ook om die reden: gewoon doen.
Volgens steeds meer biologen leefde er drie miljard jaar geleden een onsterfelijk superorganisme dat de oceanen van de aarde vulde: de voorouder van alle leven op aarde. Tot het superorganisme in drieën splitste.
Levende oceanen
De meest geliefde science fiction film onder wetenschappers ooit is Solaris, gebaseerd op een roman van SF-schrijver Stanislav Lem over een mysterieuze planeet waarvan de oceaan één enkele levende oceaan vormt. Lem blijkt over opmerkelijke profetische gaven te hebben beschikt. De aarde had drie miljard jaar geleden veel weg van een superorganisme.
Het oppervlak van de planeet Solaris uit de gelijknamige SF-roman van Stanislaw Lem bestaat uit een enkele levende oceaan. De aarde drie miljard jaar geleden had hier veel van weg. Luciano Mendez (Wikimedia COmmons), CC-BY-SA 4.0
DNA-computer produceerde levenvatbare cel
Alle leven op aarde bestaat uit cellen (virussen kunnen zich zonder cel niet vermenigvuldigen). Al deze cellen hebben bepaalde gemeenschappelijke kenmerken, waardoor biologen vermoeden dat LUCA, voluit Last Universal Common Ancestor, zoals de laatste gemeenschappelijke voorouder heet onder evolutiebiologen, deze kenmerken ook had. Dit organisme, zo lijkt het, was niet één enkele cel maar bestond uit een levende oceaan. Een levende oersoep zo groot als een planeet, die zich uiteindelijk in de drie oerkoninkrijken van het leven splitste: bacteriën, archaeae en cellen met een celkern (waaronder die van mensen). De laatste onderzoeksresultaten versterken het beeld dat drie miljard jaar geleden cellen lukraak erfelijk materiaal uitwisselden om te overleven. Cellen concurreerden niet maar wisselden voortdurend DNA uit om zo aan nuttige onderdelen te komen. Hierdoor ontstond een wereldomvattend mega-organisme, een gigantische DNA- of RNA-computer met maar één opdracht: produceer een succesvolle, levensvatbare cel.
De Grote Splitsing van 2,9 miljard jaar geleden
2,9 miljard jaar geleden splitste LUCA in drieën: de al genoemde bacteriën, de bacterieachtige archaeae en eukaryoten: cellen met een celkern. Er bestaat nauwelijks fossiel bewijsmateriaal uit deze tijd en drie miljard jaar is zo lang dat door mutaties van genen uit die tijd niet meer veel is overgebleven. Gelukkig is er een andere methode. De functie van eiwitten hangt sterk af van hun structuur. Eiwitten hebben, denkt Gustavo Caetano-Anollés van de University of Illinois at Urbana-Champaign, daarom een vorm die nauwelijks verandert. Dus hoewel de volgorde van aminozuren nu totaal anders is dan toen, hadden de eiwitten van LUCA ongeveer dezelfde vorm als ze in bacteriën, archaeae en eukaryoten hebben. En kunnen we daaruit afleiden wat LUCA ongeveer kon. Al kan er natuurlijk iets als parallelle evolutie hebben plaatsgevonden in alle drie groepen tegelijk. Ongeveer vijf tot elf procent van de structuren die hij in een database van 420 organismen vond, waren universeel, m.a.w. horen waarschijnlijk in LUCA thuis[1].
LUCA kon geen DNA maken en lezen
Caetano-Annolés ontdekte iets zeer vreemds. LUCA beschikte over veel enzymen, waaronder enzymen om energie uit voedingsstoffen te halen en om eiwitten te maken. Ook kon LUCA zowel koolstofverbindingen als nitraten als energiebron gebruiken. Ook had LUCA een bepaald type organel, een acidocalcisoom (dat komt namelijk in alle drie groepen van het leven voor, in een iets verschillende vorm). Echter, één ding ontbrak. Enzymen om DNA-moleculen te bouwen en te lezen. Klaarblijkelijk werkte LUCA niet met DNA, maar met iets heel anders. Hierbij komt nog een andere ontdekking. Onderzoeker Armen Mulkidjanian van de universiteit van Osnabrück in Duitsland ontdekte dat LUCA waarschijnlijk alleen ‘lekkende’ isopreenachtige membranen kon bouwen.
‘LUCA had RNA in plaats van DNA’
LUCA was waarschijnlijk een progenoot: een organisme zonder duidelijk genoom. Stukjes RNA zweefden in de cel en werden lukraak vertaald in eiwitten – dat laatste niet al te nauwkeurig. Pas lang na de splitsing ontstonden er biochemische systemen om het vertalen van genen in eiwitten foutloos te maken. Caetano-Anollés veronderstelt dat de eerste cellen hun genen en eiwitten moeten hebben gedeeld om te kunnen overleven. Nuttige genen explodeerden in aantal en verspreidden zich over de hele aardbol.
Wereldwijd genetisch internet
Een cel die zich afsloot voor dit biochemisch-genetische ‘internet’ was gedoemd uit te sterven, omdat de cel teveel fouten maakte. De lekkende membranen van LUCA vergemakkelijkten dit delingsproces. Ook nu nog zijn er gevallen bekend van totaal verschillende organismen die stukken DNA delen. Pas toen cellen geheel zelfvoorzienend werden, was het uitwisselsysteem niet meer nodig. Dit gebeurde rond de tijd dat de eerste sporen zuurstof in de atmosfeer ontstonden, 2,9 miljard jaar geleden.
Wat was de rol van virussen?
Dit roept een gedachte in me op. Ook nu nog zijn er (zeldzame) gevallen bekend van genen die van de ene soort naar de andere overspringen, van een grassoort naar een niet-verwante andere grassoort bijvoorbeeld. Hiervoor is een virus verantwoordelijk. Mogelijk waren er ook in die tijd al een vorm van virussen, die mee-evolueerden met LUCA. Zouden deze virussen zich hebben ontwikkeld uit het mechanisme waarmee LUCA genen uitwisselde?
Ontstaat er een nieuwe menselijke soort, Homo fabricandus? Schrijver en investeerder Juan Enriquez gelooft van wel. Nu we het DNA kunnen herschrijven, kunnen we ook ons eigen erfelijk materiaal verbeteren.Volgens hem staat er een revolutie voor de deur die de industriële en digitale revolutie zal doen verbleken.
De mens 2.0 komt er aan deze eeuw.
Elke van onze naar schatting 100 biljoen cellen bevat een kopie van ons DNA, de erfelijke code waarin alle eiwitten die ons lichaam rijk is, wordt beschreven. Uiteraard is dit nog maar het topje van de ijsberg: het wordt steeds duidelijker dat epigenetica, het ingewikkelde systeem waarmee ons lichaam bepaalt welke genen aan- en uitgeschakeld zijn, zeer belangrijk is. Maar toch. In principe kunnen de eiwitten in ons lichaam worden herontworpen. Zo zou je het antivries-eiwit van bepaalde pooldieren in kunnen bouwen in ons bloed of, het vermogen tot een winterslaap of, interessanter, er voor kunnen zorgen dat wij mensen onze eigen vitamine C aan kunnen maken (zoals vrijwel alle andere zoogdieren kunnen).
Enriquez, die sprak op de door het M.I.T. georganiseerde EmTech conferentie in oktober 2011, zegt dat ons vermogen de levenscode te herschrijven de wereld zoals we die kennen totaal op zijn kop zal zetten. Omdat we nu zowel onze omgeving als onszelf kunnen ontwerpen, kunnen we de beperkingen van de darwiniaanse evolutie ontstijgen. Het resultaat volgens hem: een compleet nieuwe soort. Zullen we deze eeuw voor het eerst sinds het uitsterven van de Neanderthaler onze planeet delen met een nieuwe menselijke soort? Enriquez heeft aan dit idee zijn nieuwste boek gewijd, Homo Evolutis: A Short Tour of Our New Species.
Technology Review interviewde Enriquez. Dit interview geven we hier vertaald weer
TR: Waarom denk je dat er een nieuwe menselijke soort zal ontstaan?
Juan Enriquez: De nieuwe menselijke soort zal de evolutie van virussen, planten, dieren en zichzelf ontwerpen. Als we dat doen, worden Darwins regels voor evolutie sterk verstoord en in sommige gevallen zelfs gebroken. Als we directe en bewuste controle over onze evolutie nemen, zullen we leven in een wereld die we geheel naar onze wensen aan kunnen passen.
Als je nu de elektriciteit in de Verenigde Staten uit zou schakelen, zouden miljoenen mensen snel sterven, omdat ze geen astmamedicijnen, ademtoestellen, insuline of andere geneeskundige (hulp) middelen zouden kunnen gebruiken waarmee we voorkomen dat mensen sterven. Uiteindelijk komen we toe aan een punt waarbij de evolutie wordt gestuurd door wat we ontwerpen (de techniek om ons heen – GR). Dit is een grote verandering. Cosmetische chirurgie zal een slap aftreksel lijken, vergeleken met wat komen gaat.
Hoe gaat deze revolutie de wereld vormgeven?
98% van alle data die nu wordt doorgeseind, is gesteld in een taal die dertig jaar geleden vrijwel niemand beheerste (vermoedelijk doelt hij op de SGML-afgeleide HTML en XML – GR). We leven nu in een vergelijkbare periode. Deze revolutie zal nog veel ingrijpender zijn omdat het hier om software gaat die zijn eigen hardware schrijft. Mensen denken dat deze technologie (genetische manipulatie – GR) alleen de farmacie of biotechnologie zal veranderen, maar het is veel ingrijpender dan dat. De revolutie zet de complete chemische industrie op zijn kop. Veertig procent van de inkomsten van (chemiegigant) Dupont komt van de levenswetenschappen. Deze ontwikkeling zal alles veranderen; landen, de verdeling van wie arm is en wie rijk. Het zal aanleiding zijn om nieuwe ethiek te ontwikkelen.
Nieuwe ethiek?
Zelfs basale kwesties als seks zullen veranderd worden. Er was ooit maar één manier om babies te krijen. Nu zijn er tenminste zeventien verschillende methodes bekend. We hebben seks losgekoppeld van de tijd. je kan een baby krijgen negen maanden na de bevruchting, of je kan sperma, een eicel of een embryo voor tien of honderd jaar invriezen. Je kan een compleet dier klonen van één van zijn cellen. Je kan zaad- en eicellen beginnen te wijzigen. Als je al deze ontwikkelingen samen in praktijk brengt, heb je de manier waarop we ons voortplanten en de regels voor voortplanting fundamenteel veranderd.
Wat is nodig om een nieuwe soort te scheppen?
We beginnen nu in te zien dat (de komst van een nieuwe soort – GR) een opeenhoping van kleine veranderingen is. Kort geleden zijn wetenschappers er in geslaagd het genoom van neanderthalers met dat van de moderne mens te vergelijken. Er bleek slechts 0,004 procent verschil te zijn. De meeste van de wijzigingen hadden betrekking op genen die invloed hebben op sperma, zaadballen, reukzin en de huid. Alleen al het aanpassen van de microben die in symbiose met ons lichaam leven kan een nieuwe soort scheppen. Als je DNA sequencing uitvoert van bacteriën die op ons lichaam leven, kom je tot fascinerende ontdekkingen. Wij allen zijn symbionten: in het menselijk lichaam zijn er ongeveer duizend maal zoveel bacteriën als lichaamscellen. Mogelijk kunnen we zelfs niets verteren of voortleven zonder de bacteriën in onze ingewanden. Sommige mensen beschikken over eencelligen die beter zijn in calorieën absorberen. Suikerzieken hebben een iets zoetere huid, waardoor de bacteriële flora verandert en het moeilijker voor ze is om wonden te genezen.
Een bezwaar tegen het verbeteren van mensen is dat alleen sommigen toegang zullen hebben, waardoor er een nog grotere economische tweedeling zal ontstaan. Denk je dat dat klopt?
Tijdens de Industriële Revolutie was er een leven lang voor nodig om genoeg industrie op te bouwen om de welvaart van een land te verdubbelen (onzin – kostte ongeveer een generatie – GR). In de kenniseconomie kan je met twintig man snel een miljardenbedrijf opbouwen. Dit impliceert dat de welvaart in een land heel snel kan groeien.In het Korea van 1975 hadden mensen eenvijfde van de welvaart van Mexicanen toendertijd, Op dit moment is dit vijf maal zoveel. Zelfs de armste plaatsen kunnen snel rijkdom genereren. Je ziet dit in Bangalore en China. Aan de andere kant is er ook weinig tijd voor nodig om irrelevant te worden.
Wetenschappers staan op het punt van tienduizend menselijke genomen de sequentie te bepalen. Je wijst er op dat dit op behoorlijke genetische variatie in onze soort kan wijzen en dus enige ethische zorgvuldigheid verstandig is. Waarom?
De kwestie [van genetische variatie] is een echt oncomfortabele kwestie, die we om goede redenen hebben vermeden sinds de jaren dertig en veertig. Veel van het onderzoek achter de eugenetica-beweging kwam van Amerikaanse eliteuniversiteiten. Deze kennis werd op rampzalige wijze misbruikt. Maar je ontkomt er niet aan de vraag te stellen, dat als er fundamentele verschillen zijn binnen soorten als honden, paarden en vogels [i.e. dierenrassen], is het dan waar dat er geen significante verschillen zijn tussen mensen? We krijgen op heel korte termijn antwoord op deze vraag. Als we dat doen, moeten we een ethisch en moreel kader klaar hebben liggen om over dit soort vragen na te denken, die een veel verder strekkende betekenis hebben dan het domein van de wetenschap alleen.
God’s lego. Zo zou je het samenspel van DNA, waarin Hox-genen een centrale rol spelen, kunnen noemen. Nu is eindelijk opgehelderd hoe dit systeem precies werkt. De werking blijkt opmerkelijk simpel.
Bij slangen ontbreekt het Hox-gen dat de aanmaak van wervels stopzet.
Het Hox-raadsel
Waarom groeien onze armen niet uit het midden van ons lichaam. Waarom hebben we geen zes ledematen in plaats van vier? De vraag hoeveel ledematen we krijgen en waar ze precies aan worden gelegd, wordt in slechts twee dagen beslist, exact op de goede plaats en met zeer grote nauwkeurigheid. Hoe komt het dat dit mechanisme zo extreem betrouwbaar is? Al veel biologen hebben zich daar het hoofd over gebroken. Nu lijkt het raadsel eindelijk opgelost door een groep Zwitserse onderzoekers van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne en de universiteit van Genève. Hun ontdekking werd 13 oktober 2011 gepubliceerd in het wetenschappelijke topblad Science.
Vorm van dier bepaald in 48 uur
Gedurende de ontwikkeling van een embryo gebeurt alles op een exact moment. In om en nabij de achtenveeertig uur wordt de toekomstige vorm van een embryo bepaald. Het groeit dan segment voor segment. Wetenschappers noemen dit de segmenteringsfase van embryovorming. We bestaan uit iets meer dan dertig horizontale segmenten, volgens onderzoeksleider Denis Duboule. Deze komen min of meer overeen met het aantal wervels dat we bezitten.
Elk anderhalf uur wordt er een nieuw segment gevormd. De genen die overeen komen met de nekwervels, de borstwervels, de onderrugwervels en het staartbeen worden elk precies op het juiste moment achter elkaar geactiveerd. En dat is maar goed ook, anders zou je romp een wel heel merkwaardige vorm krijgen. De hamvraag: hoe weten de genen wanneer het tijd is dat ze zichzelf in werking stellen? En hoe slagen ze er in dat op een perfect gesynchroniseerde manier te doen? Al eerder werd verondersteld dat het DNA als een soort klok werkte. De manier waarop,was tot nu toe echter een raadsel.
Het proces grafisch weergegeven. Klik voor een vergroting.
DNA werkt als mechanische klok
De genen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van de segmenten zijn bekend als Hox-genen. Deze genen hebben als opmerkelijke eigenschap dat ze precies achter elkaar liggen op het chromosoom. Eerst de genen die coderen voor de nek, dan de borst, dan de lumbaalwervels etcetera. Dit is zeer uitzonderlijk. Deze eigenschap – dia alle Hox-genen, in welk organisme dan ook, gemeen hebben, moest een rol spelen, aldus Deboule.
Zo bleek ook. Het proces werkt opmerkelijk simpel. In de eerste levensdagen van het embryo slapen de Hox-genen, inactief en ingepakt. Wanneer het embryo de ontwikkelingsfase heeft bereikt waarin de Hox-genen een rol spelen, worden de Hox-genen een voor een uit het kluwen DNA-’touw’ getrokken, uitgepakt en beginnen zich elke negentig minuten een voor een te ontplooien, vanaf de nekwervels omlaag. Het proces werkt een beetje als magnetische tape, of (nog langer geleden), ponsstroken die stukje bij stukje af worden gelezen. Het totale uitpakproces duurt precies twee etmalen, de tijd die nodig is om het embryo zich verder te laten ontwikkelen. Het ontdekken van dit proces duurde aanmerkelijk langer: vele jaren minutieus onderzoek van duizenden Hox-spoelen was nodig.
Het geheim van de slang
Duboule kwam op het spoor door de ontdekking van diersoorten waar dit Hox-proces onregelmatig verloopt. Bij slangen gaat het aanmaken van wervels onbeperkt door, als een langspeelplaat die overslaat, tot het proces om andere redenen uitgeput raakt. Het Hox-gen dat normaliter het aanmaken van wervels stopt, ontbreekt bij slangen. Dit is ook de reden dat slangen honderden wervels hebben.
Twee groepen simpele zeewormen zijn verwant aan complexe soorten zoals gewervelden (zoals de mens) en zeesterren, aldus nieuw onderzoek. Hiervoor werd gedacht dat deze Xenacoelomorfen een evolutionaire link vormden tussen simpele dieren als kwallen en de rest van het dierenrijk.
Neochildia fusca is een voorbeeld van de xenacoelomorfen, primitieve wormen die dicht bij de gewervelden staan.
Erg ingewikkeld zitten Xenoturbella en Acoelomorpha niet in elkaar. Zo ontbreekt een zenuwstelsel of ingewand. Als gevolg daarvan vormden ze een bron voor veel discussie onder zoölogen. Acoelomorfen werden in de negentiger jaren geclassificeerd als een missing link tussen simpele dieren zoals sponzen en kwallen en de rest van het dierenrijk, zoals de mens, de octopus en insekten. Dit blijkt een misvatting te zijn. Beide groepen stammen af van dezelfde voorouder waarvan ook ingewikkelder dieren afstammden. Dit betekent dat de wormen als het ware zijn gedegenereerd.
Wat zijn xenacoelomorfen?
Xenoturbella-wormen werden verzameld van de bodem van een Zweedse fjord waar het dier leeft van schelpdieren. De acoelomorfen zijn veelzijdiger – er is zelfs een soort, Meara stichopi, die in de keel van een zeekomkommer leeft. Genetici vergeleken honderden genen van zowel Xenoturbella als Acoelomorpha met soortgelijke genen in een groot aantal diersoorten om zo hun evolutionaire verwantschap te bestuderen.
Het resultaat: er blijkt een compleet nieuw, tot nu toe onbekend, fylum te bestaan. Een fylum is een zeer grote groep: zo vormen alle gewervelden, van vis tot olifant, één fylum. Dit fylum staat op dezelfde hoogte als de andere fyla deuterostoma (dieren met twee lichaamsopeningen): gewervelden, stekelhuidigen (o.a. de zeester) en hemichordaten (zoals de eikelworm, een type worm dat zich in de zeebodem ingraaft) en vormt hiermee het vierde fylum: de xenacoelomorfen. De andere drie fyla bestaan uit behoorlijk complexe soorten. Deze wormen zijn dus als het ware gedegenereerd. Evolutie gaat dus niet altijd vooruit. Misschien een goede les voor de mens.
Xenacoelomorfen gedegenereerd
Deze nietige wormen stelden al ruim een decennium biologen voor een pittige uitdaging, dus er is onder hun collega’s blijdschap dat deze puzzel nu is opgelost. Wel zijn evolutionair biologen er niet blij mee dat ze nu hun gevierde missing link tussen de holtedieren en de tweemondigen kwijt zijn. Ze kunnen dus weer doorgaan met zoeken.
Evolutie gaat niet altijd vooruit
Degeneratie komt wel vaker voor. Zo stamt Wolffia arrhiza, het kleinste bloeiende plantje dat alleen bestaat uit een drijvend bolletje, af van een veel complexere plant met wortels, takken en bladeren. Ook bij parasieten komt degeneratie veel voor, variërend van Mycoplasma, een bacteriële parasiet die het kleinst bekende genoom van alle bacteriën heeft, tot diverse ingewandswormen die vaak veel eenvoudiger zijn dan vrijlevende soorten. De xenacoelomorfen zijn hierin dus niet uniek.
Tot voor kort dachten wetenschappers dat LUCA, de gemeenschappelijke voorouder van alle levende organismen, een zeer primitieve cel is zonder geavanceerde biochemie. Als het al een cel was. Fout. Onze gemeenschappelijke voorouder blijkt een volwaardige bacterie-achtige cel te zijn geweest met alles er op en er aan. Nog een aanwijzing voor panspermie?
De oercel blijkt veel complexer te zijn geweest dan we tot nu toe dachten.
LUCA is niet alleen een Italiaanse voornaam, maar ook een afkorting voor de Last Universal Common Ancestor, de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle leven op aarde. De oercel dus. Tot dusver was de aard van de oercel in nevelen gehuld. Veel onderzoekers speculeerden dat de gemeenschappelijke voorouder van mens, purperbacterie en zeester, een bolletje chemische soep was, in staat tot celdeling, met wat hopeloos primitieve enzymen maar niet veel meer. Volgens sommige onderzoekers was er niet eens een cel en is deze later pas ontstaan.
Zoals wel vaker in de wetenschap, keken onderzoekers tot nu toe verkeerd. Nieuw onderzoek, gepubliceerd in het peer-reviewed Biology Direct, toont aan dat LUCA een stuk geavanceerder was dan tot nu toe gedacht, kortom ondubbelzinnig een echte, werkende cel. Hierbij bestudeerden ze een tot nu toe verwaarloosd onderdeel van levende cellen: het acidocalcisoom, een gebiedje met een hoge concentratie polyfosfaat, een type energieopslagmolecuul in cellen. Volgens de onderzoekers is dit opslaggebiedje met polyfosfaat universeel. Het komt voor bij zowel bacteriën (die geen celkern hebben), archeae (bacterieachtige eencelligen, ook geen celkern) en eukaryoten: wezens met een celkern (d.w.z. mensen en alle andere meercellige (en veel eencellige) dieren, planten en schimmels). Kortom: de gemeenschappelijke voorouder van bacteriën, archeae en ons moet dit gebiedje ook gehad hebben.
In de studie wordt de evolutionaire geschiedenis van een eiwitenzym, vacuolar proton pyrophosphatase, of V-H+PPase, uitgeplozen. Dit enzym komt voor in de acidocalcisomen van bacteriën, archeae en eukaryoten. Een enzym bestaat uit een reeks aminozuren. Door mutaties verandert de volgorde en samenstelling van deze aminozuren. Hiervan maakten de onderzoekers gebruik door te kijken welke enzymen het meeste op elkaar lijken, en welke organismen dus het meeste met elkaar verwant zijn. Dit deden ze met honderden verschillende organismen. Hun software genereerde aan de hand van gelijkenis van het DNA een soort boomstructuur die als twee druppels water lijkt op de ’tree of life’ zoals we die kennen. Bacteriën, archaeae en eukaryoten, die samen de drie takken van de boom des levens vormen, hadden inderdaad elk een hoofdvariant van dit enzym. Deze drie hoofdvarianten blijken echter alle een gemeenschappelijke oorsprong te hebben. De meest voor de hand liggende verklaring: de oercel LUCA beschikte al over V-H+PPase toen deze zich splitste in de voorouders voor bacteriën, archaea en eukaryoten, aldus Gustavo Caetano-Anollés, medeauteur en hoogleraar landbouwgewassen van de universiteit van Illinois. Dit is ook het enige organel voorzover bekend, dat in alle drie levensdomeinen voorkomt en dus universeel is. Als we ribosomen even buiten beschouwing laten, uiteraard.
“Deze studie doet vermoeden dat LUCA complexer was dan de eenvoudigste organismen anno nu,” aldus James Whitfield, professor entomologie van dezelfde universiteit en co-auteur. Evolutiebioloog Gold en anderen hebben al gesteld dat evolutie vaak ook degeneratie betekent. Mogelijk hebben zich uit LUCA eenvoudiger afstammelingen ontwikkeld. LUCA was dus complexer dan veel bacteriën en archeae die vandaag de dag bestaan. Een inspirerende gedachte. Een complexe voorouder die vrij snel nadat de aarde leven kon bevatten, al opdook. Hoe kan deze zo snel geëvolueerd zijn? Kortom: dit maakt het pleit voor panspermie een stuk sterker.
Tot vier keer toe heeft zich onafhankelijk van elkaar een zenuwstelsel in een weekdier ontwikkeld, ontdekten onderzoekers. Is intelligentie veel ‘gewoner’ dan we tot nu toe dachten?
De wijze, wijze mens (homo sapiens sapiens) is volgens zichzelf de slimste levensvorm op de planeet. Weliswaar hebben grote walvisachtigen en olifanten veel zwaardere hersenen dan wij en geven ze af en toe blijk van geestelijke vermogens die we doorgaans alleen aan onze soort toekennen, maar we zien onszelf graag als de kroon op de schepping, het eindproduct van bijna vier miljard jaar moeizame evolutie.
Dat beeld blijkt echter niet te kloppen.
Er zijn octopussen die slimmer zijn dan de meeste zoogdieren. En een centraal zenuwstelsel evolueerde meerdere keren achter elkaar. Is intelligentie niet zo uitzonderlijk als we tot nu toe dachten?
Er zijn twee grote diergroepen op aarde die zich tot grote, complexe schepsels kunnen ontwikkelen. Aan de ene kant is dat onze groep, de gewervelden of, als we wat ruimhartiger zijn, de chordata (chordadieren). Aan de andere kant zijn dat de molluscae, de weekdieren, die radicaal van onze groep verschillen. Opmerkelijk genoeg zijn de slimste weekdieren, octopussen, ongeveer zo slim als een primaat (een aapachtige). Onafhankelijk van elkaar heeft zich dus in twee verschillende groepen intelligentie ontwikkeld. Onderzoekers hebben nu ontdekt, dat bij weekdieren zich maar liefst vier keer, onafhankelijk van elkaar, een centraal zenuwstelsel heeft ontwikkeld.
Tot voor kort dachten onderzoekers dat koppotigen zoals octopussen afstamden van slakken. Slakken hebben namelijk een bundel zenuwcellen die in sommige soorten verknoopt is tot een soort primitief brein. Octopussen werden door onderzoekers gezien als de natuurlijke doorgeëvolueerde soort, waarbij het primitieve brein is uitgegroeid tot een indrukwekkende hoeveelheid zenuwcellen en het dier in staat is tot probleemoplossing en gereedschappen te gebruiken. Een mooie theorie, die, zo blijkt uit DNA-analyse, niet klopt. De vier takken weekdieren waarbinnen een centraal zenuwstelsel voorkomt, lijken dit volkomen los van elkaar te hebben ontwikkeld. Slakken blijken meer verwant aan niet bijster intelligente schepsels als oesters en mossels, terwijl koppotigen al veel eerder afgesplitst zijn.
De vier groepen met een onafhankelijk geëvolueerd centraal zenuwstelsel zijn de octopus de zoetwaterslakkenfamilie Helisoma, Tritonia (een geslacht van felgekleurde zeeslakken) en Dolabrifera, een wat minder opvallend geslacht zeeslakken.
De gevolgen zijn opwindender dan de levensloop van de gemiddelde mossel of slak. Klaarblijkelijk heeft intelligentie zich meerdere keren los van elkaar ontwikkeld. Sterker nog: klaarblijkelijk betekent een bepaalde biologische complexiteit dat de kans dat een soort zich tot intelligente soort ontwikkelt, groot is. Misschien bestaat er een evolutionaire wapenwedloop waarbij een ingewikkeld ecosysteem betekent dat een dier voldoende slim moet zijn om te kunnen overleven. Inderdaad is ontdekt dat na de val van het communisme in Oost-Europa, toen er grote en snelle veranderingen optraden in de woongebieden van mensen en dieren werden blootgesteld aan veel ingewikkelder prikkels, vooral de intelligentste vogelsoorten zich uit hebben gebreid ten koste van de ‘dommere’ soorten[2].
Ben je jaloers op de amoebe, het plantje Paris japonica en de pad, wegens hun veel grotere hoeveelheid DNA dan die van de mens? Niet doen. Evolutionair gezien is een groot genoom namelijk niet altijd een voordeel. Integendeel, zo blijkt…
Het onaanzienlijke, met uitsterven bedreigde bloeiende plantje Paris japonica heeft bijna het grootste genoom ter wereld.
Levende fossielen hebben enorm genoom
We kennen op aarde de nodige organismen waarvan de evolutie lijkt stil te staan, de zogeheten levende fossielen. Zo is er de coelacanth, een kwastvinnige diepzeevis waarvan werd gedacht dat deze groep tientallen miljoenen jaren geleden al uit was gestorven. Een ander klassiek voorbeeld is de brughagedis, die zo afwijkt van de andere reptielen dat het dier zijn eigen familie en orde heeft. Of neem de longvis, een met amfibieën (en dus ons) verwante vissoort die in de woestijn in leven kan blijven door lucht te ademen met zijn zwemblaas. Bij ons heet de zwemblaas overigens “long”. Het is een groepje genetici opgevallen dat deze levende fossielen een in verhouding heel groot genoom hebben. Zo heeft de Ethiopische gemarmerde longvis een genoom van 132,8 miljard genetische ‘letters’ of baseparen, meer dan veertig keer de omvang van dat van de mens: 3,2 miljard. De zeer giftige kogelvis heeft dan weer het kleinste genoom, 0,4 miljard baseparen. Reden voor genetisch onderzoekers om het verband tussen evolutiesnelheid en grootte van het genoom te onderzoeken.
Groot genoom betekent minder soorten en minder evolutie
Hoewel er in een groot genoom meer mutaties optreden, wat ook logisch is – er is domweg meer DNA waarin een mutatie kan voorkomen – zijn er toch minder soorten aanwezig in soortenfamilies waarin een groot genoom de regel is. Klaarblijkelijk hindert een groot genoom de soortvorming. De onderzoekers hebben ook uitgezocht waarom. De genetische variatie tussen de (weinige) soorten die zich in families met een groot genoom vormden, bleek veel kleiner dan die in soorten met een klein genoom. Ze denken daarom dat zich langzaam soorten afsplitsen omdat er nauwelijks genetische verandering optreedt in een groot genoom. Klaarblijkelijk worden de mutaties meer gerepareerd dan in soorten met een klein genoom.
De pestbacterie Yersinia pestis, de veroorzaker van de Zwarte Dood, ontstond in slechts enkele duizenden jaren uit de mildere maagparasiet Y. pseudotuberculosae. Een bijzonder akelige gedachte. Wat als datzelfde proces met de ‘onschuldige’ E. coli of een andere darmbacterie plaatsvindt en deze zich ontwikkelt tot een dodelijke ziekte?
The Plague, een schilderij uit 1898, stelt de pest metaforisch als rondwarend monster voor. Door de pest is meer dan een derde van de Europese bevolking gestorven.
Pest nog steeds zeer gevaarlijke ziekte
De pest is nog steeds een dodelijke ziekte. Zonder behandeling kunnen patiënten binnen drie tot vijf dagen sterven. In de Middeleeuwen stierf ongeveer een derde van de Europese bevolking aan de Zwarte Dood, veroorzaakt door Yersinia pestis[1]. Ook nu nog meldt Wereldgezondheidsorganisatie WHO 1000 tot 3000 gevallen van de pest per jaar. Y. pestis komt op ieder continent voor behalve Antarctica.
Pestbacterie ontstaan uti darmbewoner
Al honderd jaar is bekend dat Yersinia pestis, de pestbacterie, en Yersinia pseudotuberculosae (die pseudotuberculose, een milde ingewandsziekte veroorzaakt) nauw met elkaar verwant zijn. Hoe nauw, blijkt nu. Yersinia pestis is ontstaan uit Y. pseudotuberculosis en verschilt hier genetisch vrijwel niet van. Al langer zijn onderzoekers zeer verbaasd hoe het kan dat een relatief milde parasiet zich zo gemakkelijk kon ontwikkelen tot misschien wel de meest verwoestende epidemie ooit. Met behulp van nieuwe DNA sequentietechnieken hebben onderzoekers van de Northwestern University Feinberg School of Medicine, ontdekt hoe deze twee genetisch nauwelijks verschillende bacteriesoorten twee enorm verschillende ziektebeelden kunnen opleveren.
Enkele ontbrekende kleine stukjes los RNA veranderden milde parasiet in massamoordenaar
De verschillende in ziektebeeld komen door veranderingen in kleine, niet coderende stukjes RNA (sRNA’s), die veel cellulaire processen controleren. RNA wordt gewoonlijk door cellen gebruikt als ‘afschrift’ van DNA. Dit RNA, messenger RNA, wordt vervolgens gelezen door een ribosoom en vertaald in een eiwit. De honderden sRNA’s die alleen al in een enkele bacterie voorkomen, worden nooit vertaald in eiwitten, maar doen iets heel anders. Wat ze precies doen, was tot nu toe een raadsel. De onderzoekers brachten alle s-RNA’s voor de oerpestbacterie Y. pseudotuberculosis in kaart. Verdere analyse leidde tot een aantal verrassende ontdekkingen over hun functie. Van de 150 s-RNA’s die het team vond, is een meerderheid specifiek voor de Yersinia soort en zes sRNA’s zijn uniek voor Y. pseudotuberculosis.
Deze zes sRNA’s ontbreken in de pestbacterie Y. pestis. De onderzoekers veronderstellen dat deze verloren zijn gegaan gedurende de snelle evolutie van deze bascterie, zo’n 1500 jaar tot 20 000 jaar geleden en mogelijk de verklaring zijn voor de agressiviteit van de pest. Hier is ook een goede evolutionair-genetische reden voor. Tot de komst van de landbouw, aan het einde van de laatste ijstijd, waren er maar weinig mensen die ook nauwelijks contact met elkaar hadden. Een parasiet die zijn gastheer doodt houdt het dan niet lang uit. Met de komst van landbouw en steden kreeg Y. pestis de kans zich te ontwikkelen tot agressieve ziekteverwekker.
Wordt E. coli de nieuwe pest?
Er zijn meer ‘onschuldige’ darmparasieten met agressieve neigingen. Een heel bekende is Escherichia coli, waaruit zich de agressieve EHEC-bacterie heeft ontwikkeld. Naar nu blijkt, met ongeveer hetzelfde ontwikkelpatroon als de pestbacterie volgde (al is bij mijn weten niet bekend of dit ook met sRNA te maken heeft). Zou zich uit E. coli of een soortgelijke darmbewoner de opvolger van de pest kunnen ontwikkelen? Mede gezien het feit dat antibiotica hun werking steeds meer verliezen, een uitermate akelige gedachte.
De genetische afstand tussen mensen en chimpansees is niet zo gek groot. Daarom denken sommige biologen dat ze in staat zijn kinderen te laten verwekken die half mens, half chimpansee zijn. Wat zijn de mogelijkheden om het meest foute experiment ooit uit te voeren?
Het foutste experiment ooit
Hoe zou een kruising tussen een mens en een chimpansee er uit zien?
De vooraanstaande bioloog Stephen Jay Gould noemde het het “meest potentieel interessante en ethisch onacceptabele experiment dat ik me voor kan stellen”. Het idee: een mens laten paren met een chimpansee. Gould deed onderzoek naar twee nauwverwante soorten slakken die grote verschillen in vormen van hun slakkenhuizen vertoonden. Hij dacht dat op grond van zijn onderzoek met slakken, de grote uiterlijke verschillen tussen mensen en chimpansees worden veroorzaakt door veranderingen in slechts enkele “master” genen, die andere genen aan- of uitzetten. Mensen vertonen veel kenmerken van jonge chimpansees, zoals een grote schedel en grote ogen. Biologen noemen dit ne0tenie. Het beroemdste voorbeeld van neotenie is de axolotl, de Mexicaanse watersalamander die zijn hele leven het larvestadium houdt. Gould veronderstelde dat een neiging tot neotenie ons kan hebben geholpen typisch menselijke eigenschappen te verwerven. Door de ontwikkeling van een ‘humanzee‘ (een wezen dat half mens, half chimpansee is), zouden onderzoekers deze theorie uit de eerste hand kunnen testen.
Kruisen waarschijnlijk niet moeilijk, met een menselijke draagmoeder
Kruisen van een mens met een chimpansee is vermoedelijk angstwekkend gemakkelijk. Dezelfde technieken die bij in-vitro fertilisatie worden gebruikt, zouden waarschijnlijk ook een levensvatbaat hybride mens-chimpansee embryo opleveren. Onderzoekers hebben al een een vergelijkbare genetische kloof overbrugd door een resusaap met een baviaan te kruisen. Hoewel chimpansees 24 paren chromosomen hebben en mensen 23 paar, is dit geen absolute barrière voor een kruising. De nakomeling zal een oneven aantal chromosomen hebben, waardoor de humanzee waarschijnlijk niet in staat is zelf nakomelingen te krijgen. Chimpanseejongen zijn kleiner dan menselijke baby’s, waardoor de draagmoeder het beste menselijk kan zijn. Hopelijk zal dit het animo voor dit experiment behoorlijk laten afnemen.
Eerdere Sovjetpoging mislukt
De Sovjet-bioloog Ilya Ivanovich Ivanov had weinig last van ethische commissies of gewetensbezwaren. Hij heeft als eerste geprobeerd een mens-chimpansee hybride te fokken. Hij toog in 1926 naar de toenmalige Franse kolonie Guinee in West-Afrika en sloeg de twee jaar daarna aan het experimenteren met wijfjeschimpansees. Zonder resultaat. Toen hij ook lokale vrouwen wilde proberen te bezwangeren met chimpansee-zaad, werd het zelfs de Franse koloniale autoriteiten te gortig. Diep teleurgesteld vertrok Ivanov naar de Sovjetunie. Daar bleken de autoriteiten minder gewetensbezwaren te hebben. Hij kreeg de steun van de marxistische Vereniging voor Materialistische Biologie en ging in 1929 op zoek naar vijf vrouwelijke vrijwilligers. Helaas voor hem stierf de enige volwassen mannelijke chimpansee in het primatenstation van Suchumi. Ivanov kwam in aanvaring met de partij en overleed in 1932 in zijn ballingsoord Alma Ata aan een beroerte.
Wat maakt ons een mens?
Volgens wijlen Gould is dit het ideale experiment om voor eens en voor altijd uit te maken of neotenie inderdaad een belangrijke rol speelde in het ontstaan van de moderne mens. Neotenie als verklaring voor menselijke eigenschappen is echter controversieel. De meeste evolutiebiologen geloven niet dat neotenie verklaart waarom de mens is ontstaan; een minderheid neemt het idee nog steeds serieus. Dit verboden experiment zal in één klap duidelijk maken hoe we verschillen van de chimpansee. De vraag is: willen we dat wel weten tegen deze kostprijs?
