Zijn nanoben in werkelijkheid ribosomen?

Het is onder biologen een dogma, dat er geen kleinere cellen kunnen bestaan dan 150 nanometer. Nanoben zijn niet-levend, stellen ze. Wat, als ze de plank flink mis slaan, en we al die tijd vrij levende ribosomen als de voorouders van het leven over het hoofd hebben gezien?

De geheimzinnige ribosomen

Van alle cel onderdelen vormen ribosomen een buitenbeentje. Een ribosoom is namelijk een heel bijzonder enzym. Enzymen zijn vrijwel altijd eiwitten. Dus, bestaan uit een keten van aminozuren. Ribosomen bestaan niet uit eiwitten, maar grotendeels uit RNA. RNA kan zichzelf, in tegenstelling tot DNA, in bepaalde gevallen vermenigvuldigen. Als jij bepaalde RNA enzymen in een reageerbuis stopt waar een oplossing van de vier RNA nucleotiden (adenine, thymine, guanidine en uracil) in zit, met nog een aantal hulpstoffen, dan combineert het RNA met deze vrije “legostenen” en vormt een kopie van zichzelf. Dit RNA enzym ondergaat Darwiniaanse evolutie in dit proces – de RNA ketens die zichzelf het beste kunnen vermenigvuldigen, krijgen de overhand. [1] Dit maakt RNA de beste kandidaat om als voorouder van het leven te dienen.

DNA is stabieler (de reden dat we DNA in onze celkernen hebben en geen RNA), maar het echt belangrijke deel van onze stofwisseling verloopt via RNA. Een ribosoom (dat uit RNA + wat eiwit bestaat) leest namelijk zogeheten messenger RNA af en vertaalt dat in een eiwit. Dat messenger RNA is een sliert RNA, die codeert voor een eiwit en vanuit DNA is gekopieerd.

De ribosoom RNA cel

We kunnen als het ware het DNA wegdenken. Dan komen we tot een veel simpeler cel. Een cel met alleen RNA en geen DNA. Hierin bevatten de ribosomen, plus rondzwervende slierten messenger RNA, alle genetische informatie. Op dit moment zijn de kleinst bekende DNA gebaseerde organismen zo’n 150 nanometer in doorsnede.

Raadselachtige nanoben in Antarctisch zoutmeer

Opmerkelijk is dat er in onderzoek aan de bacteriën in het Antarctische zoutmeer Vida, inderdaad van die zeer kleine structuren zijn ontdekt. Zie afbeelding. Er zijn twee grote pieken in het frequentiediagram in de afbeelding (afkomstig van [2]). Piek B is welbekend. Dat zijn microbacteriën met een diameter van rond de 130 nanometer. Die kan je links zien.

Deze zitten aan de ondergrens van wat een DNA gebaseerde levensvorm aan grootte moet hebben. Wat hier interessant is, is piek A in het frequentiediagram rechts. Er blijken behoorlijk veel nanoben, bacterie-achtige bolletjes van 60 tot 100 nanometer doorsnede voor te komen in dat Antarctische zoutmeer. Op de foto links zie je ze duidelijk. Deze zijn kleiner dan biologisch gezien kan met DNA-organismen.

Met andere woorden: dit is iets heel anders. Of een anorganische verontreiniging (wel een heel vreemde “verontreiniging” dan, gezien die rare piek, die abrupt afkapt onder de 50 nanometer), of een niet-DNA gebaseerde levensvorm die vermoedelijk samenwerkt met de microbacteriën van piek B.

Waren deze Antarctische nanoben RNA-bacteriën?

En uiteraard zijn RNA-bacteriën, als ze bestaan, dan de “prime suspect”. Bij deze extreem lage temperaturen zijn dat soort organismen in het voordeel. Dat RNA instabiel is, is niet zo erg bij zeer lage temperaturen. Dit wordt ook ondersteund door [3]. Volgens [3] kunnen cellen, waarin het DNA ontbreekt, twee keer zo klein zijn als DNA gebaseerde cellen. Precies wat je kan waarnemen in het frequentiediagram. Populatie A is qua diameter half zo groot als populatie B.

De onderzoekers verwierpen deze hypothese, omdat ze de cellen met uraniumacetaat hebben gekleurd. Daarmee kan je klassieke celmembranen aantonen met fosfaatgroepen, en nucleïnezuren. Populatie A vertoonde maar in 30% van de gevallen een kleuring, waar populatie B dat in 80 procent deed [2]. Volgens hen was daarom populatie A niet-levend.

De vraag is of deze conclusie niet wat te voorbarig is. Moeten cellen per definitie een “klassiek” celmembraan hebben, en zullen nanoben, met een door eiwitten afgeschermd ribosoom als “celkern”, inderdaad net zo makkelijk aan uranylacetaat binden als de los zwervende DNA slierten in bacteriën? Mogelijk zijn er ook andere typen membranen, of half open systemen mogelijk.

Ook in tandsteen zijn deze nanoben aangetroffen [4]. Wat dat betreft is het jammer, dat de onderzoekers het filtraat door een zeef met gaatjes < 100 nm weg hebben gegooid en hier geen RNA test mee hebben uitgevoerd. Daar hadden wel eens erg interessante dingen uit kunnen komen. Een Nobelprijsje in de biologie bijvoorbeeld.

Bronnen

1. Michael P. Robertson en Gerald F. Joyce, Highly Efficient Self-Replicating RNA Enzymes, Chem Biol. 2014 Feb 20; 21(2): 238–245.
2. Emanuele Kuhn et al., Brine Assemblages of Ultrasmall Microbial Cells within the Ice Cover of Lake Vida, Antarctica, Applied and Environmental Microbiology, 2014
3. Size Limits of Very Small Microorganisms: Proceedings of a Workshop., NAS, 1999
4. Anton J. Kutikhin et al., The role of calcifying nanoparticles in biology and medicine, Journal of Nanomedicine, 2014