Thermococcus gammatolerans-een flagellaatarchaeon die gedijt in hete, zuurstofarme wateren. Let op het tuft van flagella. Deze microbe leeft in water heter dan ongeveer 160F. Creative Commons Angels Tapias. Klik op afbeelding voor licentie en koppeling.

in de jaren zeventig werkte een obscure wetenschapper genaamd Carl Woese (uitgesproken als “ellende”) aan iets dat schijnbaar nogal alledaags was: het vinden van een manier om bacteriën te classificeren.

hoewel dat een eenvoudige taak lijkt, hadden bacteriën hardnekkig weerstand geboden aan alle eerdere pogingen. De traditionele methode — het kijken naar verschillen in uiterlijk, structuur en metabolisme en het een beetje bekijken — was mislukt. Bacteriën lijken vaak op elkaar, ongeacht hun ware evolutionaire relatie.

grote namen in de microbiologie hadden het probleem al lang geleden opgegeven. Maar Woese had een idee: wat als bacteriën wetenschappelijk gesorteerd kunnen worden met behulp van hun genetisch materiaal, zoals uitgedrukt in het RNA waaruit hun ribosomen, de eiwitproductie-eenheden van de cel, zijn samengesteld? De meeste veranderingen van ribosomal RNA zijn catastrofaal aan nakomelingen die hen erven, gegeven het kritieke belang van ribosomen aan het levend houden van een cel, en zo gebeuren de veranderingen in ribosomal RNA slechts zelden. Maar in de miljarden jaren dat microbieel leven op aarde bestaat, gebeuren ze, waardoor dit molecuul een veelbelovend doelwit is voor het beoordelen van relaties die zich uitstrekken tot diep in de tijd.na een tiental jaren van zorgvuldig splitsen van ribosomaal RNA in kleine stukjes en staren naar deze gesorteerde stukjes op fotografische films geknipt aan lichtbakken-talloze uren van verveling gevoed door Dr.Pepper en aanvallen in een optrekbar-Woese was goed op weg om een bacteriële stamboom te maken.

toen gebeurde er iets onverwachts. Een collega genaamd Ralph Wolfe stelde voor dat hij zijn methode probeerde op een ongewone groep bacteriën die methaan maakten. Hoewel ze kwamen in een pasta-achtige verscheidenheid van vormen, hun biochemie en metabolisme leek hetzelfde. Dit fragment uit een wetenschappelijk artikel uit 1997 van Virginia Morell beschrijft de schok van wat er daarna gebeurde:

maar toen Woese hun sequenties bestudeerde, registreerden de methanogenen zich niet als bacteriën. “Ze misten volledig de oligonucleotide-sequenties die ik had leren herkennen als kenmerk van bacteriën,” legt hij uit. Hij dacht dat het monster besmet was, dus deed hij een nieuwe. “En toen kwam Carl naar beneden en schudde zijn hoofd”, zegt Wolfe. “Hij vertelde me, ‘Wolfe, deze dingen zijn niet eens bacteriën.’En ik zei,’ Nu, kalmeer, Carl; kom uit de baan. Natuurlijk zijn het bacteriën; ze zien eruit als bacteriën.”Maar, zoals Woese nu wist, betekende morfologie bij bacteriën niets. Alleen hun moleculen vertelden het verhaal. En de moleculen verkondigden dat de methanogenen niet zoals elke andere prokaryote of eukaryote waren-ze waren iets op zichzelf, een derde tak van het leven.

Carl Woese in 2004. Creative Commons Don Hamerman. Klik op afbeelding voor licentie en bron.

“Wolfe, deze dingen zijn niet eens bacteriën.”Toen ik die zin las, liep er een rilling over mijn rug. Slechts een paar mensen op aarde krijgen ooit een soort sluier-lifting moment van die omvang te ervaren — Einstein, Newton, Kepler, enz. maar de nederige Carl Woese was een ander. Hij was gestuit op een dappere nieuwe wereld van microben die eruit zagen als bacteriën in onze ogen, maar in feite zo uniek biochemisch en fysiek dat ze uiteindelijk meer verwant zijn aan ons dan aan hen. Hij had een compleet nieuwe vorm van leven gevonden, hier op aarde.

Carl Woese is overleden Dec. 30. Woese blijft weinig bekend, zelfs onder niet-microbiële biologen, maar vooral onder het publiek. Hij verdroeg een decennium of meer van scepsis, spot, en ostracisme voordat zijn observaties werden geaccepteerd en werd diep gekwetst door de eerste reactie; u kunt en moet meer over lezen in de Science feature story ik hierboven fragmented (pay access required). In de afgelopen jaren hebben sommigen — waaronder de redactieraad van Nature Reviews Microbiology — erop aangedrongen dat Woese de Nobelprijs zou krijgen voor zijn bijdragen. Nu, dat zal nooit gebeuren*.

maar Woese is niet de enige onbezongen held in dit verhaal**. De organismen die hij onthulde-de archaea-zijn fascinerende en overvloedige wezens, maar worden zelden diepgaand besproken, zelfs binnen de grenzen van microbiologische klassen. Dat is jammer. Archaea zijn overal – in diepzeeopeningen, in zoutvlakten, in ijs, in zeewater, in de bodem en in jou. En ze verdienen betere publiciteit.

overweeg de volgende intrigerende punten over het derde domein:

Archaea maakt DNA en RNA op een manier die op ons lijkt–wat iets interessants impliceert

archaea lijkt in veel opzichten meer op ons dan op bacteriën — maar je moet goed kijken om het te zien. “Ons” zouden de eukaryoten zijn, de levensvormen die hun DNA huisvesten in pakketten genaamd kernen (onder vele andere eigenschappen). De groep omvat vrijwel alles behalve archaea en bacteriën.

Archaea bezit DNA-en RNA-polymerasen-enzymen die DNA en RNA repliceren-die eruit zien als eenvoudigere versies van die welke in eukaryoten worden gevonden. En hun enkele cirkelvormige chromosomen kunnen meer dan één oorsprong van replicatie hebben, zoals eukaryoten maar in tegenstelling tot bacteriën.

om hun DNA voldoende te condenseren om in een cel te passen, gebruiken bacteriën een eiwit genaamd gyrase om hun DNA in spoelen te draaien. Archaea doet dit ook, maar ze wikkelen hun DNA ook rond eiwitten die histonen worden genoemd, die er weer uitzien als eenvoudigere versies van de histonen waaromheen eukaryoten hun DNA wikkelen. Voor zover ik weet, bezitten bacteriën geen histonen.

deze dwingende overeenkomsten – waarvan er dieper zijn in het biochemische onkruid dat ik weglaat voor de ruimte-tussen archaeale en eukaryotische cellen hebben sommigen doen vermoeden dat naast de bacteriële overspoeling/symbiose die mitochondriën en chloroplasten creëerde, een andere meer mysterieuze symbiose of chimerisme kan hebben plaatsgevonden tussen een oude archaeon en bacterie om de eerste proto-eukaryotische cel te produceren. Of het kan suggereren dat eukaryoten, in feite, geëvolueerd zijn uit archaea. Dit is een fel beargumenteerd idee, en een waarvoor u hieronder verder bewijs zult zien.

Archaeale buitenlagen zijn anders dan alle andere op aarde

bacteriële en eukaryotische membraanlipiden hebben dezelfde algemene structuur (tweede van het bovenste molecuul hieronder): een fosfaatgroep (groen) die aan een glycerol (rood) is bevestigd, vormt de kop van het lipide, terwijl twee vetzuren uit de staart (roze). Verder, zoals bacteriën, zijn de glycerolkoppen van onze lipiden verbonden met hun vetzuurstaarten met esterverbanden (geel).

Archaeale membraanlipiden zien er zeer, zeer verschillend uit van zowel bacteriën als van eukaryoten (bovenste molecuul, hierboven). Archaea hebben staarten gebouwd van eenheden van de vertakte chemische isopreen in plaats van vetzuren, en hun 20-koolstof staarten worden fytanyl groepen genoemd (ik nomineer fytanyl voor klinker efficiënte Woord van de Week). Deze lipidenstaarten kunnen worden vertakt op nog complexere manieren dan hierboven getoond of zelfs ringen(zie hieronder) – gekke vormen die bacteriële en eukaryotische membraanlipiden nooit op te nemen, voor zover ik weet.

Crenarchaeol, een geringd, vertakt monolaagmembraan lipide uit een archaeon. Publiek domein.

hun fytanylstaarten zijn voornamelijk verslaafd aan hun glycerolen met behulp van ether-en niet ester-verbindingen (zie 2 hierboven), die beter bestand zijn tegen vernietiging dan esters. En hun glycerolen hebben tegenovergestelde handigheid aan de glycerolen in onze membraanlipiden (let op spiegeloriëntatie in de bacteriële en archaeale lipiden in figuur).

moleculaire handedness — chirality in chemistry-speak — wordt niet gemakkelijk veranderd door evolutie. Bijvoorbeeld, de overgrote meerderheid van eiwit bouwstenen genoemd aminozuren die door het leven op aarde worden gebruikt zijn uitsluitend “linkshandig”. Waarom? Niemand weet het echt, hoewel sommigen wel raden. Toen lefty aminozuren het overnamen, was er geen biochemisch terug te gaan — de enzymen werden op een bepaalde manier opgezet en dat was dat. Dus, dat archaeal en bacteriële enzymen gebruiken glycerolen met tegenovergestelde handigheid impliceert dat bacteriën en archaea gescheiden wegen lang, lang geleden.

sommige archaeale lipiden hebben een eigenschap die zelden of nooit wordt gezien bij bacteriën of eukaryoten. Bacteriën en eukaryoten hebben membranen gemaakt van lipide bilagen die langs elkaar stromen (#9). Maar archaeale fytanylstaarten kunnen covalent aan elkaar worden gebonden om een lipide monolaag te vormen (zie #10 en de afbeelding van crenarchaeol hierboven).Twee hoofden, één lichaam, een membraan hydra.

de vertakte en netvormige fytanylstaarten en de lipide monolagen lijken allemaal aanpassingen te zijn aan de kokende temperaturen. Zij kunnen membraanlekkage of het afschilferen van een tweetalaag in de waterige en vaak zure infernos helpen verhinderen waarin hyperthermophilic archaea leven.

u kunt ook opmerken dat in tegenstelling tot de meeste van onze genetische en eiwitproductiemachines, onze lipiden veel meer op bacteriën lijken dan archaea. Is dat ook bewijs van een oud chimerisme?

De mysterieuze afwezigheid van Archaeumparasieten en pathogenen

geen duidelijk parasitaire of pathogene archaea is ooit gevonden. Dat wil niet zeggen dat ze niet bestaan. Archaea bestond al lang voordat we ze vonden, en nu zien we dat ze overal zijn. Meer daarover in een minuut.

maar dit is een punt dat het overwegen waard is (een Talmoedische Vraag, a la kleine dingen beschouwd?): waarom lijken er geen duidelijke parasieten of ziekteverwekkers in het domein te zijn? Bacteriën en eukaryoten hebben ontelbare vervelende parasieten voortgebracht, van syphillis tot bedwantsen tot maretak tot Nigeriaanse Craigslist oplichters, en voor mij lijkt het heel vreemd dat een heel domein verstoken moet zijn van hen.

Is de archaeale chemie zo uniek dat ze slecht toegerust zijn om in hogere organismen te leven? Nee, dat lijkt zeker niet het geval te zijn, zoals we hieronder zullen zien. Waarom zijn ze nooit naar de duistere kant gegaan? Is het iets fundamenteels aan hun stofwisseling of chemie?

het dichtst bij een potentieel pathogene of parasitaire archaeon gevonden is Nanoarchaeum equitans, een van de kleinste cellen ter wereld. Het wordt overal in hydrothermale bronnen gevonden, van de toppen van continenten-zoals de obsidiaanse Poel in Yellowstone – tot de diepten van de oceanen-zoals de mid-oceanische rug bij IJsland en onder de Noordelijke IJszee, een verdeling die op zich de moeite waard is om na te denken over wat het inhoudt.

waar het ook wordt gevonden, het leeft uitsluitend op het oppervlak van een veel grotere archaeon, Ignicoccus. Tot 10 N. equitans kunnen het oppervlak van een individuele Ignicoccus bedekken. Nanoarcheum kan geen lipiden, de meeste nucleotiden (de bouwstenen van DNA en RNA) of aminozuren synthetiseren. Het moet ze nemen (stelen? ruilen?) van Ingnicoccus.

maar in tegenstelling tot andere microbiële parasieten heeft N. equitans alles wat nodig is om zijn eigen DNA te herstellen en DNA, RNA en eiwitsynthese uit te voeren. Hoewel het duidelijk niet zonder Ignicoccus kan, is het nog onduidelijk of het een symbiont of een parasiet is.

dit gebrek aan duidelijke nasties betekent ook niet dat archaea *vrij* zijn van parasieten of pathogenen. Integendeel, veel dingen consumeren archaea, en archaea spelen gastheer voor een volledig spectrum van uniek gevormde (spindels, stokken, en tranen) DNA virussen die gedijen in dezelfde helse omgevingen die archaea kan fokken.

Hier is een archaeon genaamd Sulfolobus uit een hete bron in China met verschillende spindelvormige DNA-virussen:

De hyperthermoacidofiele archaeon Sulfolobus Tengchongensis en zijn spindelvormige parasiet, het virus STSV1

Het vreemde gebrek aan archaeale pathogenen kan ook hebben bijgedragen aan Woese ‘ s moeilijkheid om de Nobelprijs te winnen. Het is niet de Nobelprijs voor Biologie, Het is de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde. En zonder duidelijke archaeale ziekten, zou de zaak voor zijn prijs noodzakelijkerwijs indirect zijn.

Archaea zijn overal

toen archaea aan de wereld werd onthuld, werden ze jarenlang beschouwd als extremofiele Weirdo ‘ s. Ze leefden op plaatsen als zoutvlakten, hydrothermale bronnen, hete zure zwembaden, en methaan-besmette veengebieden. Het waren geen normale microben.

en in veel gevallen, dat is waar, op verbazingwekkende prachtige manieren. We hebben vierkante, platte archaea ontdekt die zich verdelen in vellen zoals postzegels die in zoutpannen leven. Ze gebruiken eiwitten genaamd (eroneously, uiteraard) bacteriorhodopsins die structureel en functioneel vergelijkbaar zijn-hoewel volledig onafhankelijk geëvolueerd-met het gewervelde oogeiwit rhodopsine om energie te maken van licht. Andere soorten van deze zoutminnende archaea komen in een verscheidenheid van veelvlakken naast vierkanten, en soms verschuiven vormen tussen generaties.

een postzegelachtig vel van de vierkante cellen van Halquadratum walsbyi. Publiek domein. Klik op afbeelding voor bron.

en dan is er stam 121, genoemd om zijn vermogen niet alleen om te overleven, maar om zich te reproduceren bij 121C, de kill temperatuur van laboratorium en medische sterilisatie apparatuur. Voorafgaand aan zijn ontdekking, werden geen cellen verondersteld geschikt om 15 minuten in de 121C holding temperatuurring van autoclaven te overleven. Stam 121 kan overleven bij temperaturen tot 130C en experimenten suggereren dat er archaeale soorten zijn die temperaturen van 140 tot 150C kunnen verdragen. mocht je niet vergeten, water kookt bij 100C.

maar archaea zijn moeilijk te kweken in het lab (net als de overgrote meerderheid van de microben). Wat als er nog meer waren, verborgen, opnieuw, in het zicht?toen we op zoek gingen naar archaeaal DNA en ons geen zorgen maakten over het vinden van de lichamen, ontdekten we de microben bijna overal waar we kijken. Dat omvat “normale” plaatsen zoals zeewater en oceaansediment, bodem, en de zoogdierdarm en vagina. Ze kunnen goed zijn voor 40% van de microbiële biomassa in de open oceaan (bacteriën nog steeds overtreffen hen ongeveer 3 tegen 1) en kunnen goed zijn voor 20% van de totale biomassa van de aarde. Ondanks hun hitteminnende reputatie, duikt Archaea ook op in zeer koude plaatsen, zoals Arctisch zeewater en ijs.tot onze verbazing hebben we supergrote filamenteuze archaea gevonden die bijna groot genoeg is om met het blote oog te kunnen zien, levend op mangrovewortels. We hebben methanogene archaea gevonden die interageren met protozoa in de ingewanden van koeien en termieten om deze organismen te helpen cellulose af te breken voor energie. We hebben zelfs een archaeon gevonden die symbiotisch Leeft met-van alle dingen-een spons.

Er zullen ongetwijfeld nog veel meer vreemde en wonderlijke wezens verschijnen als we microben gaan matchen met hun DNA-sequenties — als we maar willen kijken.* Nobelprijzen worden niet postuum toegekend, hoewel ze vorig jaar een uitzondering maakten in een opmerkelijk geval.