Microbiële Partners

Op zee ontdekten biologen Microbiële Partners die samen stikstof produceren, een essentiële voedingsstof voor het leven. Het paar is bezig om samen te smelten tot één organisme.

Aan de andere kant van de wereldzeeën doet een paar symbiotische microben — bacteriën die in het fytoplankton leven, bekend als diatomeeën — het essentiële werk om stikstof beschikbaar te maken voor het leven. Opmerkelijk genoeg zijn de bacteriën verwant aan de bacteriën die de meeste stikstof op het land "binden". Samuel Velasco/Quanta Magazine

Stikstof is fundamenteel voor al het leven op aarde. Organismen gebruiken het om aminozuren en nucleïnezuren te maken — de bouwstenen van eiwitten en DNA — naast andere essentiële moleculen. Gelukkig bestaat viervijfde van de atmosfeer uit stikstof. Helaas is het in gasvorm inert en biologisch niet beschikbaar: elk stikstofatoom is aan een ander gebonden met een drievoudige binding, die buitengewoon veel energie kost om te verbreken. Zonder tussenkomst hebben cellen op land of zee geen toegang tot deze atmosferische bron.

"We ademen het in en we ademen het uit, maar we kunnen er niets mee doen", aldus Bernhard Tschitschko, microbioloog bij het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie. "In het leven op aarde is stikstof een van de elementen die de groei regelt."

Hoe krijgen organismen dan toegang tot dit onmisbare element? Ze vertrouwen op een select aantal bacteriën met een speciaal talent: het vermogen om stikstofgas (N2) om te zetten in ammoniak (NH3), een proces dat fixatie wordt genoemd, waardoor het element beschikbaar wordt voor het leven. Alle bacteriesoorten die de drievoudige binding van stikstofgas kunnen verbreken, doen dit met behulp van hetzelfde eiwit: nitrogenase. Elke keer dat een molecuul N2 op natuurlijke wijze wordt omgezet in NH3, waar dan ook op aarde, is dat dankzij nitrogenase. Het belang van het eiwit wordt weerspiegeld in hoe oud het is: Nitrogenase ontstond ongeveer 3,2 miljard jaar geleden in wat onderzoekers "een van de meest consequente biogeochemische innovaties in de geschiedenis van het leven" hebben genoemd.

Tientallen jaren lang waren wetenschappers zich bewust van slechts één geslacht, de filamentvormige cyanobacterie Trichodesmium, die verantwoordelijk leek te zijn voor in wezen alle stikstof die in de oceaan werd vastgelegd. In de jaren 1990 en 2000 lieten nieuwe en goedkope technologieën onderzoekers een emmer zeewater opscheppen en het DNA van alle daar levende wezens sequencen. Tot hun verrassing begonnen de wetenschappers stikstofasegenen in de oceaan te ontdekken die niet afkomstig konden zijn van Trichodesmium of een andere cyanobacterie. Een ander organisme, of waarschijnlijker veel, veel organismen, legden ook stikstof vast.

"Er zijn waarschijnlijk honderden verschillende niet-cyanobacteriële stikstofasegenen in het metagenoom van de oceaan", aldus Jonathan Zehr, een milieumicrobioloog aan de University of California, Santa Cruz. Maar onderzoekers konden de organismen die deze vreemde nitrogenasen herbergden niet achterhalen. Ze haalden hun schouders op en gaven de niet-Trichodesmium-bacteriën de overkoepelende naam "Gamma A" totdat toekomstige onderzoekers ze konden identificeren. Portret van Bernhard Tschitschko.

De microbioloog Bernhard Tschitschko maakte deel uit van een team onderzoekers dat op zoek was naar de ontbrekende stikstofproducenten van de oceaan. Ze ontdekten een paar microben die samenwerken om de essentiële voedingsstof te creëren. Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie

"We wisten niets over deze organismen, wie ze waren of of ze überhaupt stikstof vastlegden," zei Tschitschko. "Alles wat we over hen wisten was de nitrogenase-sequentie — niets anders."

In een recent artikel in Nature rapporteerden Tschitschko en collega's hun ontdekking van twee van deze Gamma A-organismen — nauw verwante bacteriën die overal in de oceanen van de wereld leven en de voedselketen van stikstof voorzien waar Trichodesmium dat niet doet. De bacteriën werken niet alleen: ze zitten stevig vast in diatomeeën, een overvloedig microscopisch fytoplankton, waarmee ze stikstof ruilen voor huisvesting en energie. De symbiotische relatie — een wederzijds voordelige samenwerking tussen twee onafhankelijke organismen — is zo hecht dat de bacterie op weg is om een permanent onderdeel van het lichaam van de diatomeeën te worden als een nieuw cellulair organel, volgens een DNA-analyse.

Het leven van de partners op zee voelt misschien ver van het onze, maar we hebben iets gemeen. De meeste stikstof op het land wordt vastgelegd door rhizobia-bacteriën, die symbiotisch leven in knobbeltjes op de wortels van peulvruchten. Het Gamma A-gen voor nitrogenase is verwant aan dat in rhizobia, wat duidt op een oude genetische relatie tussen de twee symbiotische partnerschappen die leven op het land en op zee mogelijk maken.

Marinedetectives

Tschitschko werkte pas een paar maanden in zijn nieuwe lab aan het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie toen hij op expeditie ging om Gamma A te ontdekken. Hij wist dat het niet gemakkelijk zou zijn. In elke emmer water zijn er miljoenen of miljarden microbiële cellen, en slechts honderd kunnen stikstof binden.

Vissen met een emmer was bijna precies wat Tschitschko en zijn team deden: ze lieten een CTD-rozet vallen — een reeks grote flessen, open maar afsluitbaar aan beide uiteinden — in de oceaan om water op verschillende diepten te vangen. Later, in tanks die over de zijkant van hun schepen hingen, mengden ze elk monster met een licht radioactieve isotoop van stikstof. Alle cellen die binnen 24 uur radioactief waren geworden, moeten stikstof kunnen binden en het in hun eigen eiwitten en DNA kunnen opnemen. Een CTD-rozet hangt aan de zijkant van een schip. Het bestaat uit een bundel afzonderlijke flessen die afzonderlijk kunnen worden afgesloten en geopend.

De onderzoekers bemonsterden microbieel leven in de westelijke tropische Noord-Atlantische Oceaan met behulp van een CTD-rozet — in feite een hightech emmer — die water bemonstert terwijl er metingen worden gedaan op verschillende diepten van de oceaan. Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie

In de radioactieve bacteriën ontdekten Tschitschko en zijn collega's de Gamma A-versie van het nitrogenase-gen. Ze waren het op het spoor. Het gen bevond zich echter in een exotische genomische omgeving. Toen ze het DNA van de Gamma A-bacterie sequenceten, was het grootste deel van het genoom typerend voor een wereldwijd verspreide klasse bacteriën genaamd Alphaproteobacteria. Het nitrogenase-gen was echter taxonomisch verwant aan de op het land levende rhizobia.

Als het genoom van Gamma A een schaakspel is, is het nitrogenase-gen een damstuk dat in de doos wordt gegooid: het moet ergens anders vandaan komen.

Dit was vreemd genoeg, maar de onderzoekers hadden het betreffende organisme nog steeds niet gezien, alleen het genoom. Met behulp van genetische technieken volgden ze het rhizobia-DNA naar een mariene diatomee — een van de alomtegenwoordige, fotosynthetische microscopische algen van de zee — van het geslacht Haslea. In elke diatomee zaten vier tot acht bacteriële cellen. De cellen bleken twee bacteriesoorten te zijn, die de onderzoekers Tectiglobus diaatomicola en Tectiglobus profundi noemden.

Haslea-diatomeeën fotosynthetiseren om energie te creëren; vervolgens geven ze een deel van deze energie door aan Tectiglobus, die de diatomee van stikstof voorziet.

Dit weerspiegelt de relatie tussen rhizobia en peulvruchten op het land, waarbij bacteriën stikstof aan de plant aanbieden in ruil voor koolhydraten. Op de een of andere manier vond dit nitrogenase-gen zijn weg naar twee bacteriegroepen — en beide gingen symbiotische relaties aan, met zeer verschillende gastheerorganismen, cruciaal voor het leveren van stikstof aan voedselwebben.

Om deze verdraaide geschiedenissen te ontrafelen, reconstrueerden de onderzoekers evolutionaire bomen voor de rhizobia- en Tectiglobus-bacteriën. De resultaten suggereerden dat beide groepen het oude nitrogenase-gen van andere bacteriën hadden verkregen door horizontale genoverdracht op verschillende punten in hun evolutionaire geschiedenis. De auteurs speculeerden ook dat Tectiglobus zijn symbiotische relatie onafhankelijk en eerder ontwikkelde dan zijn meer bekende neef op het land.

De symbionten in al hun glorie: vier cellen van Tectiglobus-bacteriën, gemarkeerd in groen, bevinden zich in een glazige diatomee (waarvan de kern in felblauw is weergegeven). De partners werken samen om stikstof te produceren, die door het voedselweb reist. Mertcan Esti/Max Planck Institute for Marine Microbiology

Tectiglobus doet belangrijk biochemisch werk in de oceaan. De onderzoekers schatten dat Tectiglobus stikstof vastlegt met iets minder dan de helft van de snelheid van Trichodesmium, de cyanobacteriën waarvan eerder werd gedacht dat ze de stikstofbinding in de oceaan domineerden. En de Tectiglobus-diatomee-partners zijn te vinden in oceanen over de hele wereld. De relatie lijkt een aanzienlijk deel van de stikstofbinding op aarde te vertegenwoordigen.

Het symbiotische spectrum

Het is logisch dat een diatomee een stikstofbron in huis wil hebben: de oceaan is een woestijn. Voedingsstoffen zijn schaars en de meeste microben verkeren in een permanente staat van bijna-uithongering. Een fotosynthetiserende diatomee met zijn eigen onbeperkte energiebron, maar met een behoefte aan stikstof, bood Tectiglobus een veilige en gunstige regeling.

"Dit is de manier waarop deze ene geïsoleerde, eenzame kleine diatomee in zijn eigen behoeften kan voorzien," zei Angelicque White, een oceanograaf aan de Universiteit van Hawaï die niet bij het werk betrokken was. "Deze ongebruikelijke associaties breken onze vereenvoudigde beschrijving van hoe ecosystemen werken af. Ze liggen ver van het land. Ze liggen ver van de bronnen van voedingsstoffen. En dus moeten deze organismen zich op de een of andere manier aanpassen."

Maar wat is de regeling precies? Het heeft een zweem van een blijvende symbiotische relatie, maar het is ook mogelijk dat Tschitschko de bacteriën te pakken kreeg midden in een overgang naar een volwaardig organel, in welk geval ze zouden ophouden een onafhankelijk organisme te zijn.

Dit is hetzelfde scenario dat mitochondriën en chloroplasten produceerde: beide organellen waren voorheen vrijlevende bacteriën die symbionten werden van grotere cellen en uiteindelijk permanent introkken. De twee Tectiglobus-soorten, net als mitochondriën en chloroplasten, hebben een vrij klein genoom, wat suggereert dat ze genen hebben weggegooid die ze niet langer nodig hebben omdat de diatomeeëngastheer ze voorziet. Toen Tschitschko zag dat de gastheer en de symbiont zich deelden om zich voort te planten, vonden hun delingen gelijktijdig plaats.

Beide eigenschappen — een verminderd genoom en gepaarde voortplanting — wijzen op een langdurige en stabiele symbiose. Of Tectiglobus definitief op weg is om nog meer van zijn genoom te verliezen en een organel te worden, vereist meer onderzoek.

"Er is ongetwijfeld een spectrum aan symbioses, van losse symbioses tot een organel, en deze organismen kunnen langs dat spectrum worden geplaatst", aldus Zehr, die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek. In 2024 meldde zijn lab een stikstofleverende cyanobacterie die een organel was geworden in een algencel. Dit is duidelijk een terugkerend thema in de wereld van stikstofbinding. Als je de kans had om je eigen essentiële voedingsstof te produceren door een huisdier te nemen, hoe zou je dan kunnen weerstaan?