EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Sådan tilpassede bakterier sig til en iltrig verden for 2,5 mia. år siden

Da klodens atmosfære begyndte at indeholde mere og mere ilt fra for omkring 2,5 milliarder år siden, måtte datidens bakterier tilpasse sig dette nye og skadelige miljø. Nu har forskere afluret, hvordan de gjorde.

Quinoner er involveret i respiration. Nogle mikroorganismer benytter to forskellige slags quinoner til at transportere elektroner rundt i cellerne, når de skal lave energi. Mennesker, andre dyr og planter bruger kun én type, coenzym Q10, som er solgt som kosttilskud.

I mange år har forskere undret sig over, hvad der har drevet evolutionen til at få nogle bakterier til at udvikle to forskellige former for quinoner, men det bliver nu besvaret i et nyt studie, der er publiceret i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

I studiet viser forskerne, at da niveauerne af ilt i atmosfæren steg dramatisk for 2,5 milliarder år siden, udviklede bakterierne en ny form for quinone, der beskyttede dem bedre mod den giftige ilt, som truede med at rive dem fra hinanden indvendig, hvis de benyttede den gamle form for quinone.

Denne nye og iltoptimerede quinone er sidenhen overdraget til alle andre levende organismer på planeten, så også du og jeg har dem i dag.

”Dette er et meget smukt studie, der besvarer et fundamentalt spørgsmål, som forskere har stillet sig i mange år: hvorfor bruger de fleste organismer i dag ubiquinon i stedet for naptoquinon i elektrontransporten? Hvad er forskellen mellem dem, og hvorfor har det været en fordel at skifte?” fortæller en forsker bag det nye studie, CEO på Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU), Bernhard Palsson.

Bakterierne ændrede Jorden for 2,5 milliarder år siden

Næsten alle levende organismer benytter ubiquinon i elektrontransportkæden i forbindelse med omdannelsen af sukker til energi, vand og ilt.

Før ubiquinon benyttede bakterier og arkæer naptoquinon, men indtil nu har forskere ikke helt forstået, hvorfor mikroorganismerne gik fra at benytte den ene form for quinon til den anden.

Svaret, viser det sig, skulle findes meget langt tilbage i tiden.

For 2,5 milliarder år siden begyndte fortidens primitive bakterier, cyanobakterier, at fylde atmosfæren med giftig ilt.

Ilt fører til oxidativ stress på celleniveau, fordi reaktive iltmolekyler kan gå ind og binde sig til og ødelægge en masse proteiner og enzymer.

Derfor er der behov for, at reaktiv ilt inde i cellerne er under konstant opsyn, blandt andet i hele elektrontransportkæden, hvor der bliver jongleret rundt med forskellige reaktive iltioner.

”Naptoquinon er tilbøjelig til at tabe elektroner, og når de gør det, bliver ilt til reaktive oxygenmetabolitter, der kan ødelægge cellerne indefra. Ubiquinon holder derimod meget bedre fast på elektroner end naptoquinon, og derfor var det en evolutionær fordel for fortidens bakterier at skifte til ubiquinon frem for at benytte naptoquinon,” forklarer Bernhard Palsson.

Delte colibakterier op i to grupper med forskellige quinoner

I studiet studerede forskerne colibakterier (Escherichia coli), som hører til blandt en gruppe organismer, der fortsat benytter sig af både ubiquinon og naptoquinon.

Colibakterier kan leve i et meget iltfattigt miljø, eksempelvis i menneskers tarme, men de kan også leve ude i det fri, hvor der er masser af ilt. Derfor har de beholdt evnen til at skifte mellem de to forskellige former for quinoner afhængigt af det omkringliggende miljø.

I studiet slog forskerne henholdsvis generne for produktion af ubiquinon og naptoquinon i stykker og skabte to nye stammer af colibakterier, hvis funktioner kunne sammenlignes med dem tilhørende den oprindelige vildtype-stamme.

Efterfølgende observerede de, hvordan bakterierne udviklede og klarede sig.

• Gruppen af vildtype-bakterier voksede, som de plejede.

• Det samme gjorde ubiquinon-bakterierne.

• Naptoquinon-bakterierne voksede derimod 30 procent langsommere end de andre stammer.

”Det var vores første observation. Bakterier vokser meget hurtigere i nutidens atmosfæriske miljø, når de er baseret på ubiquinoner end på naptoquinoner,” siger Bernhard Palsson.

Naptoquinon-bakterier skal forsvare sig voldsomt mod oxidativ stress

Efterfølgende undersøgte forskerne, hvorfor naptoquinon-bakterierne voksede langsommere end ubiquinon-bakterierne.

Her viste det sig, at naptoquinon-bakterierne var nødsaget til at allokere en stor mængde af deres ressourcer til at forsvare sig mod oxidativ stress inde i cellerne og mellem cellens to ydre membraner.

Dette forsvar inkluderer superoxid dismutase og peroxidase, som naptoquinon-bakterierne fylder mellemrummet mellem cellemembranerne med. Det er også i cellemembranen, at elektrontransportkæden arbejder.

”Bakterierne skal bruge rigtig mange ressourcer på at beskytte sig selv mod disse reaktive iltforbindelser, som opstår i elektrontransportkæden, fordi naptoquinon ikke binder ilt godt nok. For 2,5 mia. år siden eller i et iltfattigt miljø betyder det ikke noget, men det har stor betydning for et liv i atmosfæren, som den er nu, og derfor vokser colibakterier, der i vores forsøg kun kan bruge naptoquinon, langsommere,” forklarer Bernhard Palsson.

En fundamental forståelse af biologi

Bernhard Palsson fortæller, at udskiftningen af naptoquinon med ubiquinon ikke er det eneste tiltag, som bakterierne implementerede i deres livscyklus, da iltniveauet begyndte at stige i atmosfæren for 2,5 milliarder år siden.

Lige nu er forskerne ved at lægge sidste hånd på et studie, der kigger på andre komponenter af elektrontransportkæden for at se, hvordan det hele er sat sammen.

”Det hele drejer sig om en fundamental forståelse af biologi og en forståelse af, hvorfor cellernes bestanddele ser ud og opfører sig, som de gør. Det er et kig i evolutionens værktøjskasse,” siger Bernhard Palsson.

Adaptive evolution reveals a tradeoff between growth rate and oxidative stress during naphthoquinone-based aerobic respiration” er udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Flere af artiklens forfattere er ansat på Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet, Lyngby.

Bernhard O. Palsson
CEO
Bernhard Palsson is a Distinguished and the Galletti Professor of Bioengineering, Professor of Pediatrics, and the Principal Investigator of the Systems Biology Research Group in the Department of Bioengineering at the University of California, San Diego. Dr. Palsson has co-authored more than 500 peer-reviewed research articles and has authored four textbooks, with more in preparation. He is CEO at the Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability in Denmark. His research includes the development of methods to analyze metabolic dynamics (flux-balance analysis, and modal analysis), and the formulation of complete models of selected cells (the red blood cell, E. coli, CHO cells, and several human pathogens). He sits on the editorial broad of several leading peer-reviewed microbiology, bioengineering, and biotechnology journals. He previously held a faculty position at the University of Michigan for 11 years and was named the G.G. Brown Associate Professor at Michigan in 1989. He is inventor on over 40 U.S. patents, the co-founder of several biotechnology companies, and holds several major biotechnology awards. He received his PhD in Chemical Engineering from the University of Wisconsin, Madison in 1984. Dr. Palsson is a member of the National Academy of Engineering and is a Fellow of both the AAAS and the AAM.