Menu Close

De evolutie nagespeeld

Tot leven gewekte monsters in een Jurassic Park brachten de fantasie op hol. De werkelijkheid doet er echter nauwelijks voor onder: wetenschappers maken in hun reageerbuis eiwitten die vijftig miljoen jaar geleden zijn uitgestorven. Onderzoek naar de spijsvertering van Diacodexis – een hoefdier dat geen mens ooit heeft gezien.

TOEN DE dinosauriërs 65 miljoen jaar geleden plotseling van de aardbodem verdwenen, was dat voor de meeste andere dieren een godsgeschenk: plotseling hadden ze, onbedreigd en onbeconcurreerd door vraatzuchtige monsters, het rijk alleen. Vooral de zoogdieren, toen nog klein en onooglijk, profiteerden van de nieuwe situatie. Ze kwamen uit hun benauwde holletjes tevoorschijn en breidden zich razendsnel uit. In korte tijd ontstond door evolutie een enorme schakering aan nieuwe, vaak veel grotere diersoorten.

Tot die nieuwe zoogdieren behoorde vijftig tot zestig miljoen jaar geleden ook een ‘oerhoefdier’: Diacodexis. In de periode die volgde ontstonden daaruit alle evenhoevigen die wij heden ten dage kennen: van varken tot nijlpaard, van kameel tot giraffe.

Van die lange evolutie heeft de mens maar weinig meegemaakt – Homo sapiens is zelf nog geen half miljoen jaar oud. Tot nu toe moesten we ons daarom behelpen met stukjes bot die her en der worden opgegraven. Wat maalkiezen van een Amerikaanse of Aziatische Diacodexis zijn daarbij al heel bijzonder.

Op basis van die tandjes prehistorische dieren reconstrueren, al was het maar op een plaatje, is een gewaagde onderneming. Het is niet voor niets dat het woord ‘fossiel’ in de beeldspraak is voorbehouden aan stoffige zaken die niet meer tot leven te wekken zijn.

Pogingen om uit fossiele botten kleine stukjes prehistorisch DNA en eiwit te winnen, zijn tot nu toe niet erg succesvol. Meestal gaat het om heel kleine fragmentjes, die bovendien zwaar beschadigd zijn.

Opmerkelijk werk van enkele Zwitserse biochemici, deze week gepubliceerd in het Britse wetenschappelijke tijdschrift Nature (dl. 374, p. 57), markeert echter een nieuwe fase in het onderzoek. Op basis van afstammings-theorieën over nu levende soorten, herschiepen zij bouwstenen van voorouders die miljoenen jaren geleden leefden. In hun glaskolven volgden zij het spoor van de evolutie terug.

Het resultaat is dan wel geen springlevende Diacodexis, maar ver zit het daar niet van af: er ontstaan eiwitten die vijftig miljoen jaar geleden actief waren in de darmen van deze oersoort. De eigenschappen van die eiwitten kunnen ons leren hoe de spijsvertering van Diacodexis en zijn afstammelingen verliep. “Het is een heel creatieve manier om meer te weten te komen over hoe veranderingen in de bouw van eiwitten hun functie veranderen,” vindt de Amsterdamse viroloog dr Jaap Goudsmit, die zelf werkt aan methoden om via duizenden jaar oud genetisch materiaal, bijvoorbeeld uit mummies, de geschiedenis van virussen te reconstrueren.

Twintig

Een eiwit is opgebouwd uit enkele tientallen tot enkele honderden bouwstenen, die aminozuren’ worden genoemd. In levende wezens worden eigenlijk maar twintig verschillende van die bouwstenen gebruikt. Hun opeenvolging bepaalt de vorm die het eiwit uiteindelijk aanneemt. Met die vorm is ook de functie van het eiwit grotendeels vastgelegd: in een diepe gleuf kan een groot molecule in tweeën worden geknipt, terwijl een lange uitstekende punt weer precies blijkt te passen in de uitsparing van een ander eiwit.

De bouw van een eiwit vloeit direct voort uit de erfelijke code op het DNA: wanneer in het DNA een kleine schrijffout optreedt, ontstaat ook een eiwit met op één plek de verkeerde bouwsteen. De werking van het eiwit is dan veranderd – afhankelijk van het belang van de bouwsteen licht tot ingrijpend.

Dit proces is volgens biochemici de drijvende kracht achter de evolutie: kleine, toevallige veranderingen in de genen leiden tot kleine of grote veranderingen in de werking van eiwitten. Wanneer de verandering goed uitkomt, heeft het organisme een voorsprong op zijn naaste concurrenten.

Wie naar de opbouw van vergelijkbare eiwitten in verschillende dieren kijkt, ziet daarin dit proces van miljoenen jaren weerspiegeld. Hoe nauwer twee diersoorten verwant zijn, hoe meer hun eiwitten op elkaar lijken. Zijn ze al heel lang geleden ‘uit elkaar gegroeid’, dan bevatten de eiwitten veel meer verschillende bouwstenen.

Op papier is het een koud kunstje om, op basis van de verschillen in de eiwitten, een stamboom op te stellen. Hoe meer diersoorten daarbij kunnen worden betrokken, hoe verder je terug kunt in de tijd.

De Zwitsers kenden de bouw van een eiwit in elk van veertig verschillende evenhoevigen. Zo kwamen ze tot een afstammingsreeks die er wat eenvoudiger, maar principieel niet anders uit ziet dan de traditionele stamboom die op basis van fossiele botten is opgesteld. De Zwitserse scheikundigen, onder leiding van dr Steven Benner werkzaam aan de Technische Hochschule in Zürich, gingen een stap verder: zij vertaalden de veronderstelde veranderingen in het eiwit terug naar de bijbehorende erfelijke code in het DNA. Vervolgens manipuleerden zij bacteriën in hun reageerbuis zodanig, dat zij al die eiwitten uit de geschiedenis gingen aanmaken. Wat overbleef waren dertien potjes met eiwitten, zoals ze op evenzovele punten in de evolutie daadwerkelijk moeten zijn voorgekomen.

Het eiwit in kwestie, een RNase, speelt een rol in de spijsvertering van herkauwers. De bacteriën die de voedselafbraak in de voormagen voorbereiden, geven een groot deel van het verteerde materiaal af aan de darmen in de vorm van RNA. Om dit tussenprodukt verder af te breken, zijn RNasen onontbeerlijk.

In de darmen van herkauwende hoefdieren komen RNasen dan ook in hoge concentraties voor. Wellicht danken de herkauwers hun grote succes in de concurrentie met niet-herkauwers als het paard en de neushoorn wel aan de efficiënte vergisting van planten in hun voormagen – en de beschikbaarheid van eiwitten om deze vertering af te maken.

Teruggaand in de tijd, blijken de theoretisch geconstrueerde ‘fossiele eiwitten’ inderdaad hun werking als RNA-afbrekende enzymen te behouden. Scheikundig gezien gedragen ze zich, voorzover een reageerbuis tenminste representatief kan zijn voor de darm van een levend dier, identiek.

Daaruit kunnen twee conclusies worden getrokken. Ten eerste is de gebruikte methode om uitgestorven eiwitten te reconstrueren kennelijk betrouwbaar. Ten tweede hebben de veranderingen in de afgelopen tientallen miljoenen jaren voor de werking van het eiwit dus weinig verschil gemaakt. Het waren kennelijk ‘neutrale mutaties’ – toevallige erfelijke veranderingen die het dier geen evolutionair voordeel hebben opgeleverd.

Alleen de twee vroegste varianten van het eiwit, beide dus meer dan veertig miljoen jaar geleden actief, gedragen zich opeens heel anders. Ze richten zich in de reageerbuis op een andere categorie RNA, en bovendien breken ze dat andere RNA vijf keer zo snel af.

Herkauwen

Het is verleidelijk, schrijven de onderzoekers, om deze verandering in verband te brengen met het moment waarop zich, ongeveer veertig miljoen jaar geleden, een belangrijke stap in de evolutie van de evenhoevigen (Artiodactylae) voltrok: de overgang naar het herkauwen. Diergroepen die zich voor die tijd al hadden ‘afgescheiden’, en die vandaag zijn terug te vinden in zwijnen, kamelen en nijlpaarden, herkauwen niet, en hebben een RNase met dezelfde ‘antieke’ eigenschappen. Het ontstaan van het moderne type RNase zou de reden of het directe gevolg kunnen zijn van de opkomst van het herkauwen.

Maar, voegen de onderzoekers in een adem toe, de opmerkelijke samenloop kan ook toeval zijn. Dat zou echter nog wel ruimte laten voor een tweede theorie: die zegt dat in Diacodexis nog maar één soort RNase voorkwam, die op verschillende plaatsen in het lichaam werd gebruikt. Pas later in de evolutie zou het gen voor dit eiwit zich hebben verdubbeld, zodat binnen één dier verschillende varianten van het eiwit konden ontstaan.

Aanwijzingen voor de juistheid van de laatste theorie zijn al gevonden: in zaadcellen en in de hersenen van runderen zijn RNasen aangetroffen met andere chemische eigenschappen dan die in het maagdarmkanaal. Hun functie daar is nog onduidelijk. Maar het is opvallend dat deze eiwitten sterk lijken op de darm-RNase van zwijnen en kamelen én die van de vroegste voorouders.

Het onderzoek, een van de eerste in deze soort, bewijst dat het laten herleven van prehistorische eiwitten een inspiratiebron en een werktuig kan zijn bij het onderzoek naar de functie van hedendaagse eiwitten, schrijven de onderzoekers in hun eindconclusie.

Vooralsnog leidt de omgekeerde evolutie nog niet tot herboren bacteriën, laat staan dinosauriërs. Goudsmit zegt echter wel eens met de gedachte te hebben gespeeld een voorloper van het aidsvirus, die immers ook een lange evolutie achter de rug heeft, in het laboratorium na te bouwen. “Maar het aidsvirus is verschillende malen overgegaan van de ene diersoort op de andere,” voegt hij eraan toe, “en wisselt bovendien steeds stukken erfelijk materiaal uit. Voor zo’n virus kun je dus niet goed één voorouder reconstrueren.”

Voor de nabije toekomst is het goed mogelijk dat, door terug te gaan in de geschiedenis van het leven, eiwitten worden ontdekt met functies die voorgoed leken uitgestorven. En heel misschien, filosofeert de Amerikaanse bioloog dr C.-B. Stewart elders in Nature, als we maar genoeg eiwitten en organismen in het onderzoek betrekken, komen we ooit zelfs uit bij het eiwit waarmee het allemaal begon: de oorsprong van het leven. Als we die hebben nagebouwd, kan de evolutie weer van voren af aan beginnen.

Related Posts