LUCA, de laatste gemeenschappelijke voorouder


LUCA, de cel die de oorsprong van alle moderne levensvormen is, ontstond veel eerder dan gedacht en had al een uitgebreid metabolisme
Scientias, 14-07-2024, Jeanette Kras

Samenvatting van en artikel uit Nature: "The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system”:
“Fylogenetische verbanden suggereren, dat LUCA een genoom had voor ongeveer 2.600 eiwitten, vergelijkbaar met moderne prokaryoten.”

Het was lang onduidelijk wanneer het eerste leven ontstond op onze aardbol. Nu blijkt dat dit waarschijnlijk veel eerder gebeurde dan gedacht, volgens baanbrekend Brits onderzoek naar de vroegste ecosystemen op aarde. De studie, die deze week in het gezaghebbende Nature verscheen, toont aan dat het leven al binnen enkele honderden miljoenen jaren na de vorming van onze planeet opbloeide. Dit werpt nieuw licht op de oorsprong van het leven.

De kenmerken van de eerste cellulaire levensvormen: het leven dat nu op aarde te vinden is, stamt af van één gemeenschappelijke voorouder, aangeduid als LUCA (Last Universal Common Ancestor, de Laatste Gemeenschappelijke Voorouder).
LUCA is de hypothetische gemeenschappelijke voorouder van alle moderne cellulaire levensvormen, van eencellige organismen als bacteriën tot de gigantische reuzensequoia’s die in Californië groeien; en ook wij mensen zijn uiteraard onderdeel van dit wonderbaarlijke geheel. LUCA vertegenwoordigt de wortel van de levensboom, voordat die zich opsplitste in de drie domeinen die we nu onderscheiden: Bacteria, Archaea en Eukarya.
De moderne levensvormen evolueerden uit LUCA en delen daardoor diverse kenmerken, zoals
- de aminozuren die worden gebruikt als bouwstenen van eiwitten,
- de celbrandstof (ATP) en
- de cellulaire machinerie zoals ribosomen, die eiwitten maken op basis van DNA-informatie,
- en ook het voorkomen van DNA als informatiedrager, was al aanwezig in LUCA.

4,2 miljard jaar oud

Om daar meer over te weten te komen vergeleken de onderzoekers van de University of Bristol het genenpakket van een groot aantal nog levende soorten, waarbij ze de mutaties telden die zich in de loop van de tijd hebben voorgedaan vanaf het moment dat soorten zich afsplitsten van de gemeenschappelijke voorouder LUCA.
We weten ongeveer hoeveel tijd er tussen het ontstaan van bepaalde soorten zit door fossiele gegevens naast elkaar te leggen. Met behulp van een genetische equivalent van de bekende natuurkundige formule om snelheid te berekenen, lukte het de wetenschappers uiteindelijk om vrij nauwkeurig te bepalen wanneer LUCA leefde. Ze kwamen uit op ongeveer 4,2 miljard jaar geleden, zo’n 400 miljoen jaar na de vorming van de aarde en ons zonnestelsel.
“We hadden niet verwacht dat LUCA zo oud zou zijn. Deze eerste cellulaire levensvorm is slechts enkele honderden miljoenen jaren na de vorming van de aarde ontstaan. Onze resultaten sluiten daarmee erg goed aan bij de moderne inzichten over de vroege bewoonbaarheid van de aarde,” zegt onderzoeker Sandra álvarez-Carretero.

Genealogie

Het onderzoeksteam modelleerde ook de biologische eigenschappen van LUCA door de fysiologische kenmerken van levende soorten te analyseren en terug te redeneren naar de bron. “De evolutionaire geschiedenis van genen is een ingewikkeld verhaal, omdat er sprake was van uitwisseling tussen verschillende afstammingslijnen. Het is ons gelukt om deze geschiedenis te koppelen aan de genealogie van de soorten door complexe evolutionaire modellen te bouwen,” legt hoofdauteur Edmund Moody uit.
“Een van de grote voordelen van onze aanpak is, dat we op deze manier konden beschikken over een zeer diverse dataset van de primaire domeinen van het leven: Archaea en Bacteria,” vertelt de Britse onderzoeker Tom Williams, die eveneens meewerkte aan de studie. “Zo kunnen we met vrij grote zekerheid iets zeggen over de wijze waarop LUCA leefde.”

Immuunsysteem

Professor Davide Pisani reageert: “Onze studie toont aan dat LUCA al een complex organisme was, niet zo heel anders dan moderne prokaryoten (eencelligen). Het is ook erg interessant om te zien dat LUCA al een vroege vorm van een immuunsysteem had (om zich tegen virussen te verweren). We kunnen er dan ook zeker van zijn, dat onze voorouder 4,2 miljard jaar geleden al in een strijd met virussen was verwikkeld.”
Medeonderzoeker Tim Lenton van de Universiteit van Exeter vertelt: “Het is duidelijk dat LUCA zijn omgeving benutte en veranderde. Daarnaast is het zeer onwaarschijnlijk dat hij alleen leefde. Zijn afvalstoffen waren mogelijk het voedsel voor andere microben, zoals methanogenen, die waarschijnlijk hebben bijgedragen aan een vroeg ecologisch recyclingsysteem.”

Interdisciplinaire samenwerking

“Ons werk brengt data en methoden uit meerdere disciplines samen en onthult een schat aan inzichten over de vroege aarde en het leven in die periode,” besluit professor Philip Donoghue. “Zonder deze interdisciplinaire samenwerking zou dit nooit mogelijk zijn geweest. Het laat ook zien hoe snel er een ecosysteem ontstond op aarde. Dit suggereert dat er mogelijk ook leven bestaat in de biosferen van aardachtige exoplaneten elders in het universum.”
Dit onderzoek biedt een fascinerend inkijkje in het vroege leven op aarde en wijst uit dat ecosystemen zich veel sneller hebben ontwikkeld dan eerder gedacht. De bevindingen verbeteren ons begrip van de evolutie van prokaryoten.

Bron:
"The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system" - Nature, Published: 12 July 2024

Samenvatting van het Engelse artikel
De aard van de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA), de leeftijd ervan en de invloed ervan op het aardsysteem zijn het onderwerp geweest van een uitgebreid debat in verschillende disciplines, vaak gebaseerd op uiteenlopende gegevens en methoden. Leeftijdsschattingen voor LUCA zijn meestal gebaseerd op het fossielenbestand en variëren bij elke herinterpretatie.
De aard van het metabolisme van LUCA is even controversieel gebleken, waarbij sommigen alle kernmetabolismen aan LUCA toeschrijven, terwijl anderen een eenvoudiger levensvorm reconstrueren, die afhankelijk is van geochemie.
Hier concluderen we dat LUCA ~4,2 Ga (4,09–4,33 Ga) leefde door middel van divergentietijdanalyse van pre-LUCA-genduplicaten, gekalibreerd met behulp van microbiële fossielen en isotopenrecords onder een nieuwe cross-bracing-implementatie.
Fylogenetische verbanden suggereren, dat LUCA een genoom had van minstens 2,5 Mb (2,49–2,99 Mb), dat codeert voor ongeveer 2.600 eiwitten, vergelijkbaar met moderne prokaryoten.

Onze resultaten suggereren dat LUCA een anaëroob acetogen van prokaryote kwaliteit was, dat al een vroeg immuunsysteem bezat. Hoewel LUCA soms wordt gezien als een geïsoleerde levensvorm, concluderen we dat LUCA deel uitmaakte van een gevestigd ecologisch systeem. Het metabolisme van LUCA zou een niche hebben opgeleverd voor andere leden van de microbiële gemeenschap en waterstofrecycling door atmosferische fotochemie had een bescheiden productief vroeg ecosysteem kunnen ondersteunen.

De conclusie van het artikel:
Door de aanwezigheid van genen probabilistisch te behandelen, brengt onze reconstructie veel meer genen (2.657) in kaart voor LUCA dan eerdere analyses en resulteert dit in een schatting van de genoomgrootte van LUCA (2,75 Mb) die binnen het bereik van moderne prokaryoten ligt. Het resultaat is een beeld van een cellulair organisme dat van prokaryotische kwaliteit was in plaats van progenotisch en dat waarschijnlijk bestond als onderdeel van een ecosysteem, waarbij het de WLP gebruikte voor acetogene groei en koolstoffixatie.
We kunnen fylogenetica niet gebruiken om andere leden van dit vroege ecosysteem te reconstrueren, maar we kunnen hun fysiologie afleiden op basis van de metabolische input en output van LUCA. Hoe de evolutie verliep vanaf de oorsprong van het leven tot de vroege gemeenschappen ten tijde van LUCA blijft een open vraag, maar de afgeleide leeftijd van LUCA (~4,2 Ga) vergeleken met de oorsprong van de aarde en de maan suggereert, dat het proces een verrassend kort interval vereiste van de geologische tijd.

terug naar het kinesine transporteiwit

terug naar het weblog






^