Deep Branching of Archaea: A Phylogenomic Study Using Five Universal Protein Markers

Het leven op aarde wordt vaak voorgesteld als een imposante stamboom, waarbij elk wezen, van de kleinste microbe tot de hoogste boom, zijn afstamming terugvoert naar één gemeenschappelijke voorouder. Decennialang hebben biologen deze uitgestrekte geschiedenis georganiseerd in drie hoofdtakken, of domeinen: Bacteria, de meest voorkomende en wijdverspreide levensvormen; Archaea, oeroude microben die vaak worden aangetroffen in extreme omgevingen zoals hete bronnen; en Eukaryota, het complexe leven dat planten, dieren en schimmels omvat. Deze driedelige verdeling, vastgesteld door te kijken naar de genetische instructies binnen cellen, is de standaardmethode geworden om te begrijpen hoe het leven evolueerde. Echter, een diepe en hardnekkige vraag blijft bestaan: welke van deze drie takken is de oudste, en hoe precies splitsten ze van elkaar af? Specifiek: evolueerde complex leven vanuit de bacteriële wereld, of ontstond het vanuit de oeroude archaeale lijn? Het oplossen hiervan is niet slechts een kwestie van namen sorteren; het gaat over het begrijpen van de werkelijke wortel van onze biologische geschiedenis en hoe de eerste complexe cellen tot stand kwamen.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Gujrat in Pakistan begon deze fundamentele vraag opnieuw te onderzoeken met een moderne aanpak genaamd fylogenomica. In plaats van te vertrouwen op één enkel type genetische marker, verzamelden zij gegevens van vijf specifieke, universele eiwitten die in alle levende wezens voorkomen. Deze eiwitten, die fungeren als de moleculaire machines voor het bouwen van cellen en het kopiëren van de genetische code, zijn zo essentieel dat ze over miljarden jaren zeer langzaam zijn veranderd, waardoor ze een duidelijk verslag van de evolutionaire geschiedenis bewaren. Het team verzamelde genetische sequenties voor deze vijf eiwitten van 111 verschillende soorten binnen de drie domeinen. Na het filteren van deze gegevens om ervoor te zorgen dat ze over volledige informatie beschikten voor elke soort, vernauwden ze hun focus tot een definitieve groep van 35 organismen. Vervolgens voegden ze de sequenties van deze vijf eiwitten samen tot één massieve, continue genetische kaart, waardoor een supergedetailleerde dataset ontstond die bijna 7.000 individuele bouwstenen aan informatie bevat.

Om orde te scheppen in deze enorme dataset, gebruikten de onderzoekers een computeralgoritme dat ontworpen is om het meest waarschijnlijke pad van evolutie te vinden door organismen te groeperen op basis van hoe vergelijkbaar hun eiwitsequenties zijn. Ze voerden deze analyse 100 keer uit met kleine variaties om er zeker van te zijn dat de resultaten geen toevalstreffer waren, een proces dat een statistisch maatstaf voor vertrouwen biedt, bekend als een bootstrap-waarde. De resultaten die zij verkregen waren opmerkelijk en daagden de traditionele visie op de stamboom van het leven uit. De analyse plaatste het domein Archaea, vertegenwoordigd in hun studie door een soort genaamd Thermococcus pelagicus, als de allereerste tak die afsplitste van de gemeenschappelijke voorouder van alle leven. In dit nieuwe beeld is Archaea het oudste domein, dat divergeerde voordat de voorouders van Bacteria en Eukaryota ooit van elkaar scheidden.

Misschien nog verrassender was de plaatsing van het complexe leven. In de door de onderzoekers geconstrueerde boom stonden de vertegenwoordigers van Eukaryota, die een gistsoort en een maïsplant omvatten, niet apart als een aparte, gelijkwaardige tak. In plaats daarvan werden ze gevonden genesteld diep binnen de groep van Bacteria. Deze ordening suggereert dat, gebaseerd op deze specifieke eiwitmarkers, de lijn die leidde tot complex leven nauwer verbonden is met de bacteriële tak dan met de archaeale tak. De statistische ondersteuning voor deze boom was overweldigend sterk, met een gemiddeld betrouwbaarheidsniveau van 95,2 procent. Van de 33 verschillende vertakkingspunten in de boom werden er 30 ondersteund door een betrouwbaarheidsscore van 70 procent of hoger, en 25 daarvan werden ondersteund op het maximale niveau van 100 procent. Slechts twee kleine takken vertoonden een lagere betrouwbaarheid, wat aangeeft dat hoewel het algemene beeld duidelijk is, enkele specifieke relaties enigszins onzeker blijven.

De onderzoekers keken ook naar de chemische samenstelling van de eiwitten zelf om te zien of de drie domeinen onderscheidende kenmerken hadden. Door de frequentie van verschillende aminozuren te analyseren, de bouwstenen van eiwitten, vonden zij dat Archaea, Bacteria en Eukaryota elk een unieke chemische vingerafdruk hadden. Deze scheiding bevestigde dat de drie groepen inderdaad afzonderlijke entiteiten zijn, zelfs als hun evolutionaire relaties anders lijken dan voorheen gedacht. Het team merkte op dat hun bevindingen niet volledig overeenstemmen met de "Drie Domeinen"-hypothese, die alle drie de groepen behandelt als gelijke, afzonderlijke afstammingslijnen, noch ondersteunde het de "Eocyte"-hypothese, die suggereert dat complex leven rechtstreeks uit een specifieke groep Archaea is voortgekomen. In plaats daarvan wezen de gegevens op een scenario waarin complex leven mogelijk is voortgekomen uit een bacteriële voorouder, mogelijk door een proces waarbij een bacteriële cel een andere cel heeft ingesloten, wat uiteindelijk leidde tot de complexe cellen die we vandaag de dag zien.

Hoewel de resultaten robuust zijn, zijn de auteurs voorzichtig om de beperkingen van hun studie te erkennen. De uiteindelijke analyse vertrouwde op slechts 35 soorten, een klein deel van de 111 die zij aanvankelijk screenen, omdat zij volledige genetische gegevens voor alle vijf de eiwitten nodig hadden. Ze merkten ook op dat de computermethode die zij gebruikten, hoewel snel en effectief, niet zo krachtig is als sommige andere geavanceerde statistische technieken die tegenwoordig beschikbaar zijn. Bovendien richtte de studie zich op een specifieke set van vijf eiwitten, en de inclusie van meer soorten en andere genetische markers in toekomstig onderzoek zou deze conclusies kunnen verfijnen. Desalniettemin suggereert het hoge niveau van statistische overeenstemming in hun gegevens dat de plaatsing van Archaea als de diepste tak en de nesteling van Eukaryota binnen de bacteriële groep een solide bevinding is op basis van de bewijslast die zij hebben onderzocht. Dit werk voegt een nieuw, meeslepend hoofdstuk toe aan het voortdurende verhaal over de oorsprong van het leven, en spoort wetenschappers aan om opnieuw te kijken naar de diepe verbindingen tussen de eenvoudigste en de meest complexe vormen van leven op onze planeet.