De energieleveranciers van onze cellen waren ooit parasieten

De studie is deze week verschenen in het online wetenschappelijk magazine PLoS ONE. Ze biedt een alternatief voor de twee theorieën die momenteel een verklaring geven voor het ontstaan van mitochondriën.

De eerste theorie, de endosymbiontische, stelt dat mitochondriën oorspronkelijk eenvoudige, prokariotische bacteriële cellen waren die opgeslokt werden door gastcellen, en die uiteindelijk mitochondriën werden, de “energiecentrales” die in bijna alle eukariotische cellen te vinden zijn.

Prokariotische cellen hebben geen celkern, eukariotische cellen zijn de cellen van planten en dieren die wel een celkern en bepaalde andere kenmerken hebben. De mitochondriën voorzien hen van energie door chemische energie uit suikers, vetten en eiwitten om te zetten in een voor de cel bruikbare vorm van energie. Met behulp van enzymen laten ze die stoffen reageren met zuurstof, met andere woorden, ze verbranden de stoffen, en de energie die vrijkomt bij die verbranding, wordt vastgelegd in energierijke ATP-moleculen (adenosine triphosphate in het Engels, adenosinetrifosfaat).

Mitochondriën hebben hun eigen DNA en kunnen daarmee binnen hun membraan zelf proteïnen maken, onafhankelijk van de kern van de cel. Er bestaan verschillende varianten van de endosymbiontische theorie.

De tweede theorie, de autogene, stelt dat mitochondriën ontstaan zijn doordat een deel van het DNA van de celkern van een eukariotische cel is afgesplitst rond de tijd dat de eukariotische cellen zich ontwikkeld hebben uit de prokariotische. Dat stuk DNA zou dan omgeven zijn door membranen, waar proteïnen niet door konden. Aangezien mitochondriën veel overeenkomsten vertonen met bepaalde bacteriën, heeft de endosymbiontische theorie de meeste aanhangers.

De oorsprong van mitochondriën ligt zo’n 2 miljard jaar in het verleden en is een van de belangrijkste kantelpunten in de evolutionaire geschiedenis van het leven op aarde. Er is echter weinig geweten over de omstandigheden die geleid hebben tot het ontstaan van mitochondriën.

Hun ontstaan wordt dan ook beschouwd als een van de raadsels in de moderne biologie. “We geloven dat deze studie het potentieel heeft om de manier waarop we denken over het ontstaan van mitochondriën te veranderen”, zei bioloog Martin Wu, de belangrijkste auteur van de studie, op de website van de University of Virginia. “We zeggen dat de huidige theorieën, die allemaal stellen dat de relatie tussen de bacteriën en de gastcel van in het begin van de symbiose in het voordeel van beide was, waarschijnlijk fout zijn.”

“In de plaats daarvan geloven we dat de relatie waarschijnlijk vijandig was – dat de bacteriën parasieten waren en slechts later in het voordeel van de gastcel gingen spelen door de richting van het transport van ATP om te keren.”

De ontdekking biedt volgens Wu een nieuw inzicht in de vroege geschiedenis van het leven op aarde, die uiteindelijk leidde tot de grote verscheidenheid aan eukariotisch leven die we vandaag kennen. Zonder mitochondriën om energie te leveren aan de rest van de cel, zou er nooit zo’n verbazende verscheidenheid kunnen ontstaan zijn, zei Wu.

“We hebben de genetische inhoud van de voorouders van mitochondriën gereconstrueerd, door het DNA van hun naaste verwanten te ontrafelen, en we voorspellen dat het parasieten waren die oorspronkelijk energie in de vorm van ATP stalen van hun gastheer –volkomen tegengesteld aan de huidige rol van mitochondriën”, zei Wu.

In de studie heeft WU ook vele menselijke genen geïdentificeerd die afgeleid zijn van mitochondriën. De identificatie daarvan kan mogelijk helpen om de genetische basis beter te begrijpen van het slecht functioneren van menselijke mitochondriën.

Dat kan een rol spelen bij verschillende ziekten, zoals alzheimer, parkinson, suikerziekte en een aantal ouderdomsziekten. Naast de belangrijke rol die mitochondriën spelen in het functioneren van cellen, wordt hun eigen DNA door geleerden ook gebruikt voor forensisch en genealogisch onderzoek, en om de menselijke evolutionaire geschiedenis te reconstrueren.