VUB-doctoraat: oermicrobe hield van extremen en leert ons veel over het vroege leven op aarde

De Archaea, een groep van oermicroben waarvan enkele jaren geleden bleek dat ze evolutionair heel erg verwant zijn met de mensen, groeien vaak optimaal in extreme omgevingen. Waar veel bacteriën – die zijn evolutionair dan weer niet erg verwant met ons – slechts kleine schommelingen in temperatuur en zuurtegraad aankunnen, zijn de Archaea kampioenen in het overleven. Doctoraatsonderzoek aan de VUB heeft het mechanisme ontrafeld dat voor die taaiheid zorgt. De Archaea, net zoals alle andere organismen, beschikken over zogenaamde hitteschok-proteïnen, die er bij extreme temperatuurschokken voor zorgen dat de andere proteïnen in de cellen, bij eventuele vervorming door de wamte, weer netjes in de juiste vorm gevouwen worden, waardoor de micro-organismen de hitteschok overleven. Onderzoek heeft de manier ontdekt hoe Archaea hun hitteschok-proteïnen “aansturen” en er efficiënt gebruik van maken.

“Voor mijn doctoraat onderzocht ik hoe die oermicroben omgaan met temperatuurstress”, zegt Rani Baes, onderzoeker aan de onderzoeksgroep Microbiologie binnen de vakgroep bio-ingenieurswetenschappen van de VUB. “Ik gebruikte daarvoor het thermofiel modelorganisme van de Crenarchaea: Sulfolobus acidocaldarius. Dat micro-organisme werd in de jaren ’70 ontdekt in een warmwaterbron en groeit optimaal bij 75°C in een zure omgeving met een pH-waarde rond de 2-3, wat vergelijkbaar is met bijna-kokend citroensap. Ik onderzocht hoe het reageerde op een snelle hitteschok, een plotse stijging van de temperatuur met tien graden Celcius, omdat de cel hier meteen op moet reageren om te vermijden dat cellulaire moleculen (zoals het DNA, RNA en de proteïnen) zouden ‘smelten’ waardoor de cel zou sterven.”

Baes ontdekte dat het voornaamste verdedigingsmechanisme van haar modelorganisme bestaat uit de gereguleerde actie van hitteschok-proteïnen, die zelf de hitteschok kunnen weerstaan en andere proteïnen in de cellen terug in hun originele functionele staat kunnen vouwen. “In het laboratorium simuleerde ik de temperatuurvariaties die natuurlijk voorkomen in warmwaterbronnen. Mijn onderzoek toonde aan dat het verdedigingsmechanisme van S. acidocaldarius in werking treedt vanaf een temperatuursverhoging van zo’n 10°C. Bij een verhoging in temperatuur met 15°C sterven de cellen meteen. Het is dus belangrijk om een goede temperatuur te kiezen om na te gaan hoe de cellen zich kunnen beschermen.”

Om de respons op hitteschok verder te bestuderen zuiverde en sequeneerde Baes de RNA- en proteïne-inhoud van de cel. “Op het niveau van het RNA, zagen we een grote respons meteen na hitteschok”, aldus Baes. RNA is de stap tussen de genetische code in het DNA en het functionele proteïne. ​ “In bacteriën en eukaryoten wordt de controle van de omzetting van het DNA naar RNA bij hitteschok nauw gecoördineerd door een gespecialiseerd proteïne. Maar onze resultaten toonden aan dat dit niet het geval was voor S. acidocaldarius. De oermicrobe gebruikt een oud en niet zo geëvolueerd mechanisme om het transcriptieproces te reguleren. Verder lijkt de archaea-cel een ‘short-cut’ te maken in het productieproces van het proteïne en kan er snel hitteschok proteïne geproduceerd worden door de cel, wat de overlevingskansen bij hitteschok drastisch verhoogt.”

Het feit dat S. acidocaldarius een beroep doet op verschillende regulatiemechanismen maakt dat het organisme goed aangepast is aan het stressvolle habitat waarin het leeft. Volgens Baes geeft het ons een dieper inzicht in hoe de allereerste levensvormen op aarde dit ook konden. “Veel archaea zijn extremofielen, organismen die optimaal groeien in extreme omgevingen”, aldus de onderzoeker. “Die vijandige omgevingen doen denken aan hoe de aarde er uit zag bij het vroege ontstaan van het leven. Vergelijkbare omgevingsparameters kan je vandaag de dag terugvinden in hydrothermale bronnen op de zeebodem of in vulkanisch gebied op het land, bijvoorbeeld geisers of warmwaterbronnen. Ongeveer 3,5 miljard jaar geleden, bij het onstaan van het leven, vond je zo’n habitats echter terug over het volledige aardoppervlak.”

Archaea zijn één van de drie grote domeinen van het leven en zijn nauw aan ons, mensen, verwant. De tak van het leven die evolueerde tot dieren, planten en schimmels (de ‘Eukarya’ of eukaryoten, alle eukaryoten hebben een celkern) is ontstaan uit zo’n oermicrobe. Met andere woorden, archaea zijn de voorouder van de eukaryoten.

“Jammer genoeg wordt er weinig onderzoek gedaan naar archaea”, vindt Baes. “Dat is opvallend, aangezien het van een evolutionair perspectief wel interessant is om te weten te komen hoe die oermicroben kunnen omgaan met temperatuursstress en hoe die temperatuursveranderingen voelden. Dat kan ons inzicht geven in hoe het eerste leven op aarde mogelijk was.”

Meer info:

Dr. Rani Baes: [email protected]

Regulation of heat shock response in the thermophilic Crenarchaeon Sulfolobus acidocaldarius”.