Dit fenomeen is slechts twee keer eerder waargenomen: miljoenen jaren geleden, bij de ontdekking van mitochondriën en chloroplasten.

Ruim twee miljard jaar geleden slokte een eencellige oerbacterie een andere bacterie op. Door een proces genaamd endosymbiose – een soort versmelting van twee organismes – groeide de bacterie door tot een intern ‘orgaan’. Dit organel kennen we nu als het mitochondrium. Een miljard jaar geleden gebeurde hetzelfde, maar dan met een cyanobacterie, zo is de bladgroenkorrel ontstaan. Amerikaanse wetenschappers hebben dit zeldzame fenomeen nu nogmaals waargenomen.

Lees ook:

• Nieuwe methaanetende micro-organismes ontdekt
• Stapje dichter bij het transplanteren van mitochondriën?

Stikstoffixerende bacterie

Ruim 25 jaar geleden troffen wetenschappers van de Universiteit van Californië het DNA van een onbekende bacterie aan in de Stille Oceaan. Het genetisch materiaal zou behoren tot een stikstoffixerende cyanobacterie, die stikstof uit zijn omgeving opneemt en omzet in bruikbare nutriënten. De verder mysterieuze bacterie noemden ze toen ‘OCYN-A’.

Niet veel later vond de Japanse onderzoeker Kyoko Hagino dat OCYN-A in de cellen van een zee-alg (Braarudosphaera bigelowii) groeide. De zee-alg diende als gastheerorganisme voor de bacterie. Tien jaar later lukte het om B. bigelowii in het laboratorium te kweken, waarna uitgebreide onderzoeken naar de organismes volgden.

Endosymbiose

Al snel kwamen de onderzoekers erachter dat er sprake was van endosymbiose: twee organismes van verschillende soorten die met elkaar beginnen te leven. Dit komt tot stand doordat een gastheer (in dit geval de alg) een ander organisme (de cyanobacterie) als het ware opslokt in zijn lichaam.

Voor beide organismes is het voordelig, omdat ze van elkaars metabolisme profiteren. Maar het lukt de twee niet altijd om tot een stabiele relatie te komen, dat gebeurt slechts in een zeldzaam geval.

Maar kweekexperimenten lieten de onderzoekers vermoeden dat dit zo’n zeldzaam geval was. De alg en de bacterie groeiden namelijk even snel en gelijktijdig, waarschijnlijk doordat dat de twee van elkaars voedingsstoffen en eiwitten profiteerden. De bevindingen werden vorige maand gepubliceerd in vakblad Cell.

DNA delen en weggooien

Deze endosymbiose was typisch voor de manier waarop een organel zich in een cel gedraagt. “En dit was precies zo het geval bij mitochondriën en chloroplasten, miljoenen jaren geleden. Toen die in een gastheer binnendrongen, begonnen ze synchroon te groeien met hun gastheer”, vertelt onderzoeksleider Jonathan Zehr in een persbericht.

Maar er was meer bewijs nodig om zeker te weten dat de stikstoffixerende bacterie in een celorganel was veranderd. Met eiwitanalyse kwamen ze uiteindelijk tot die ontdekking: de bacterie kon nog maar de helft van de eiwitten die hij nodig had zelf produceren, en vertrouwde verder op de alg om de rest te voorzien.

Sjaak Neefjes, hoogleraar chemische immunologie aan de Universiteit Leiden, niet betrokken bij het onderzoek, legt dat uit: “Organismes worden bij endosymbiose afhankelijk van elkaar. Mitochondriën en chloroplasten deden dat ooit door DNA met hun gastheer uit te wisselen. Deze bacterie gooit daarnaast waarschijnlijk stukjes eigen DNA weg, maar hoe dat werkt, is voor niemand bekend. Dat maakt het zo’n bijzonder fenomeen.”

Deze resultaten waren genoeg om te stellen dat de UCYN-A-bacterie in de algensoort B. bigelowii is omgetoverd tot organel. Dankzij zijn vermogen om stikstof uit de lucht te fixeren, wordt het organel geclassificeerd als nitroplast. De wetenschappers hebben deze zeldzame ontdekking in vaktijdschrift Science beschreven.

Landbouwsector

Slechts twee keer eerder hebben eencelligen op de aarde zich op deze manier samengesmolten tot één organisme. Neefjes deelt zijn enthousiasme over het fenomeen: “De evolutie laat hier twee organismes tot één levensvorm groeien, die zo verder weet te leven. Een prachtig voorbeeld van hoe de natuur werkt!”

De onderzoekers willen erachter komen of nitroplasten ook in andere cellen voorkomen, en wat voor voordelige effecten ze kunnen hebben.

“Het zou interessant zijn om te weten wat er nodig is om de nitroplast naar andere bacteriën te kunnen transplanteren. Dan krijgen we hopelijk ook een idee hoe we het daarna naar planten kunnen transplanteren”, zegt Neefjes.

Dat laatste zou voordelig kunnen zijn voor de landbouwsector. Planten zouden dan op een heel duurzame manier stikstof opnemen uit de lucht en omzetten in andere bruikbare voedingsstoffen.

Bronnen: Cell, Science, University of California

Beeld: Tyler Coale/Univeristy of California

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!