Bionieuws

Gen & Micro

Membraan kunstmatige ‘oerbacterie’ is robuust

Flickr © Sun

Onderzoekers uit Groningen en Wageningen hebben een E. coli deels omgebouwd tot archaeon. Deze hybride ‘oerbacterie’ gedraagt zich opmerkelijk harmonieus.

Een bacterie met een membraan die voor 20 tot 30 procent bestaat uit fosfolipiden van een archaeon blijkt prima te functioneren, en is onder sommige omstandigheden zelfs robuuster dan het origineel. Dat ondervond een internationaal team wetenschappers, onder andere uit Wageningen en Groningen, toen ze een hele set membraansynthetiserende genen overzetten van een archaeon in een E. coli (PNAS, 19 maart online). De vondst maakt het aannemelijker dat de voorloper van archaea en bacteriën, ook bekend als de last universal common ancestor (LUCA), een gemixt membraan had.

Blaasjes
De twee domeinen Archaea en Bacteria verschillen onder andere in de samenstelling van hun membraan. Waar bij bacteriën vetzuren met een esterbinding vastzitten aan een ruggengraat van glycerol-3-fosfaat, zitten bij archaea zogenaamde isopreenketens met etherbinding vast aan glycerol-1-fosfaat. Het idee was dat een mix van deze fosfolipiden een minder stabiel membraan oplevert, en dat specialisatie naar een type aan de basis staat van het evolutionair ontstaan van twee domeinen. Recente experimenten in kleine vetbolletjes, liposomen, deden echter twijfel rijzen bij deze hypothese, aangezien een combinatie van twee soorten fosfolipiden weinig invloed had op de stabiliteit van deze blaasjes.

Groeisnelheid
In dit artikel nemen de onderzoekers een volgende stap. Ze zetten een heel aantal genen over in E.coli die in archaea verantwoordelijk zijn voor de bouw van het membraan. Ook brengen ze een aantal bacteriële genen hoger tot expressie, die producten leveren die belangrijker zijn in archaea, zoals isoprenoïden. Dat levert een hybride membraan op, dat maximaal 30 procent archaeale fosfolipiden bezit. Verrassend genoeg heeft het aangepaste membraan nauwelijks invloed op het functioneren van de cel: de groeisnelheid is nagenoeg gelijk aan die van de originele E.coli-stam. Sterker nog, onder moeilijke omstandigheden, zoals hitte, kou of een minder optimale koolstofbron, is het hybride membraan zelfs robuuster. ‘Het verrast me dat alle eiwitten die in het membraan zitten en daar een functie hebben, geen last hebben van de veranderde samenstelling’, zegt Thijs Ettema, microbioloog en groepshoofd aan de Zweedse Uppsala Universiteit, en niet verbonden aan de studie.

Voorouder
De resultaten laten zien dat het goed mogelijk is dat de voorloper van de archaea en bacteriën inderdaad een gemengd membraan hadden, maar het antwoord op de vraag waarom bacteriën en archaea uiteindelijk hun eigen typische membraan ontwikkelden is juist verder weg. ‘Het zou kunnen dat de glycerol-1-fosfaat-fosfolipiden beter bestand zijn tegen extreme omstandigheden, waar archaea vaker worden gevonden’, hypothetiseert Ettema. Volgens hem helpen de resultaten ook het ontstaan van eukaryoten beter te begrijpen, een onderwerp waar hij zelf aan werkt. ‘Recente studies maken het steeds aannemelijker dat eukaryoten zijn ontstaan uit een archaeon en niet als een onafhankelijke evolutionaire tak zoals voorheen werd gedacht, maar de verschillen in membraansamenstelling zijn dan moeilijker te verklaren. Die van eukaryoten lijkt namelijk meer op die van bacteriën. Vanuit een voorouder met een samengesteld membraan is beter voor te stellen hoe dit is gekomen.’

Reactorvat
Volgens de wetenschappers heeft de hybride ook industriële potentie. De wetenschap dat samengestelde membranen onder zware omstandigheden sterker zijn, opent de deur naar de ontwikkeling van stammen die beter tegen bepaalde oplosmiddelen kunnen, of die minder gevoelig zijn voor de ophoping van toxische bijproducten in een reactorvat.


Dit artikel verscheen 24 maart in Bionieuws 6