In een laboratorium in Atlanta vechten dagelijks duizenden gistcellen voor hun leven. Degenen die nog een dag leven, groeien sneller, planten zich sneller voort en vormen de grootste bosjes. Ongeveer een decennium lang zijn de cellen geëvolueerd om op elkaar te hangen en vertakkende sneeuwvlokvormen te vormen.
Deze vreemde sneeuwvlokken staan centraal in experimenten die onderzoeken wat er miljoenen jaren geleden zou kunnen zijn gebeurd, toen eencellige wezens zich voor het eerst samenvoegden om meercellige wezens te worden. Dit proces, hoe het ook ging, leidde uiteindelijk tot logge, wonderbaarlijk vreemde organismen zoals octopussen en struisvogels en hamsters en mensen.
Hoewel wordt aangenomen dat meercelligheid minstens 20 keer is geëvolueerd in de geschiedenis van het leven op aarde, is het verre van duidelijk hoe levende wezens van een enkele cel overgaan in vele die een lot delen. Maar in een artikel dat woensdag in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, onthullen onderzoekers een aanwijzing voor hoe cellen zichzelf in een lichaam kunnen beginnen te structureren. Het team dat de sneeuwvlokgist produceerde, ontdekte dat gedurende 3000 generaties de gistklonten zo groot werden dat ze met het blote oog te zien waren. Gaandeweg evolueerden ze van een zachte, squishy substantie naar iets met de hardheid van hout.
Will Ratcliff, een professor aan Georgia Tech, begon zijn gistexperimenten toen hij op de graduate school zat. Het werd geïnspireerd door Richard Lenski, een bioloog aan de Universiteit van Michigan, en zijn collega’s die gedurende 75.000 generaties 12 flessen E. coli hebben gekweekt en sinds 1988 hebben vastgelegd hoe populaties zijn veranderd. Dr. Ratcliffe vroeg zich af of een evolutionaire studie die cellen aanmoedigt om aan elkaar te kleven, licht zou kunnen werpen op de oorsprong van meercelligheid.
“Alle afstammingslijnen die we kennen voor deze geavanceerde meercelligheid hebben die stap honderden miljoenen jaren geleden gezet”, zei hij. “En we hebben niet veel informatie over hoe individuele cellen groepen vormen.”
Dus zette hij een eenvoudig experiment op. Elke dag draaide hij gistcellen in een reageerbuis, schepte de cellen die het snelst naar de bodem zakten op en gebruikte ze om de gistpopulatie de volgende dag te vergroten. Hij redeneerde dat als hij zou kiezen voor zwaardere atomen of clusters van cellen, er een stimulans zou zijn voor de gist om een manier te ontwikkelen om bij elkaar te blijven.
En het werkte: binnen 60 dagen verscheen sneeuwvlokkengist. Wanneer deze gisten zich dankzij een mutatie delen, zijn ze niet volledig van elkaar gescheiden. In plaats daarvan vormen ze vertakkende structuren van genetisch identieke cellen. De gist was meercellig geworden.
Maar de sneeuwvlokken, ontdekte dr. Ratcliffe terwijl hij het onderzoek voortzette, leken nooit erg groot te worden en bleven koppig klein. Hij crediteert Ozan Bozdag, een postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, met een doorbraak met zuurstof, of het gebrek daaraan.
Voor veel organismen fungeert zuurstof als een soort raketbrandstof. Het vergemakkelijkt de toegang tot de energie die is opgeslagen in suikers.
Dr. Bozdag gaf tijdens het experiment zuurstof aan sommige gisten en kweekte andere die een mutatie hadden waardoor ze deze niet konden gebruiken. Hij ontdekte dat in de loop van 600 transfers de zuurstofarme gist enorm explodeerde. Hun sneeuwvlokken groeiden en groeiden en werden uiteindelijk zichtbaar voor het blote oog. Bij nader onderzoek van de structuren bleek dat de gistcellen veel langer waren dan normaal. De takken waren verward en vormden een dichte klomp.
Deze dichtheid kan verklaren waarom zuurstof een barrière lijkt te zijn geweest voor de gistgroei, denken de wetenschappers. Voor gist die zuurstof kon gebruiken, had het kweken ervan aanzienlijke nadelen.
Zolang de sneeuwvlokken klein bleven, hadden cellen over het algemeen gelijke toegang tot zuurstof. Maar door de grote, dichte matten waren de cellen in elk cluster afgesloten van zuurstof.
Gist daarentegen, dat geen zuurstof kon gebruiken, had niets te verliezen en werd zo groot. De bevinding suggereert dat het voeden van alle cellen in een cluster een cruciaal onderdeel is van de afwegingen waarmee een organisme wordt geconfronteerd wanneer het meercellig wordt.
De gevormde clusters zijn ook hard.
“De hoeveelheid energie die nodig is om deze dingen uit elkaar te halen, is met meer dan een miljoen toegenomen”, zegt Peter Yunker, professor aan Georgia Tech en co-auteur van het artikel.
Deze kracht kan de sleutel zijn tot een nieuwe stap in de ontwikkeling van meercelligheid, zegt dr. Ratcliffe – de ontwikkeling van zoiets als een bloedsomloop. Als de cellen in een grote klomp hulp nodig hebben om toegang te krijgen tot voedingsstoffen, is een lichaam dat sterk genoeg is om een vloeistofstroom te kanaliseren, essentieel.
“Het is alsof je met een brandslang op een gistcluster schiet”, zei dr. Junker. Als het celcluster zwak is, zal deze stroom van voedingsstoffen het vernietigen voordat elke cel voeding krijgt.
Het team onderzoekt nu of dichte klonten sneeuwvlokgist manieren kunnen ontwikkelen om voedingsstoffen naar hun binnenste leden te transporteren. Als ze dat doen, zou die gist in hun reageerbuizen in Atlanta ons iets kunnen vertellen over hoe het eeuwen geleden was, toen je voorouders en veel levende wezens om je heen begonnen met het bouwen van lichamen uit cellen.
