Er zijn symbiotische bacteriën gevonden die in insecten leven met de kleinste genomen ooit geregistreerd voor een levend organisme, waardoor de grenzen worden verlegd van wat minimaal leven definieert. De ontdekking daagt ons begrip uit van hoe organismen kunnen overleven met ernstig verminderd genetisch materiaal en roept vragen op over het evolutionaire pad van vrijlevende microben naar cellulaire componenten zoals mitochondriën.
De ultra-gereduceerde symbionten
Planthoppers, insecten die zich uitsluitend voeden met plantensap, vertrouwen op symbiotische bacteriën om hun inname van voedingsstoffen aan te vullen. In de loop van miljoenen jaren zijn deze bacteriën zo verweven geraakt met hun gastheren dat ze in gespecialiseerde cellen in de buik van het insect verblijven en essentiële voedingsstoffen leveren die de insecten niet uit hun suikerrijke dieet kunnen halen. Als gevolg van deze afhankelijkheid hebben de bacteriën hun genomen – de complete set genetische instructies – drastisch verkleind tot een fractie van hun oorspronkelijke grootte.
Onderzoekers onder leiding van Piotr Łukasik van de Jagiellonian Universiteit in Krakau, Polen, analyseerden DNA dat was geëxtraheerd uit 149 insecten uit 19 planthopperfamilies. Het team heeft de genomen van twee belangrijke symbiotische bacteriën, Vidania en Sulcia, gesequenced en vastgesteld dat ze ongelooflijk klein zijn: minder dan 181.000 basenparen lang. Het menselijk genoom bevat daarentegen miljarden basenparen. Sommige Vidania -stammen maten slechts 50.000 basenparen, waardoor ze de kleinste bekende genomen zijn voor welke levensvorm dan ook, en voorbij de vorige recordhouder, Nasuia.
De rand van levensvatbaarheid
Op zo’n kleine omvang – waarbij sommige stammen slechts ongeveer 60 eiwitcoderende genen bezitten – bestaan deze bacteriën op de schaal van virussen. Ter vergelijking: het genoom van het virus achter COVID-19 is ongeveer 30.000 basenparen lang. Dit roept een fundamentele vraag op: op welk punt wordt een sterk gereduceerde microbe niet langer als volledig levend beschouwd? Het onderscheid tussen een levend organisme en een organel, zoals mitochondriën, wordt steeds vager.
De primaire functie van de bacterie in deze symbiotische relatie is het produceren van fenylalanine, een aminozuur dat cruciaal is voor de opbouw en versterking van exoskeletten van insecten. Het team van Łukasik theoretiseert dat er enorm genverlies optreedt wanneer insecten alternatieve voedingsbronnen verwerven of wanneer extra microben die rol overnemen.
Evolutie en oorsprong van organellen
De symbiotische bacteriën evolueren al ongeveer 263 miljoen jaar samen met hun insectengastheren en evolueren onafhankelijk naar extreme genoomreductie in verschillende planthoppergroepen. Dit evolutionaire traject weerspiegelt de oorsprong van mitochondria en chloroplasten – energieproducerende organellen in dierlijke en plantaardige cellen die afstammen van oude bacteriën. Deze organellen bevinden zich ook in gastheercellen en worden van generatie op generatie doorgegeven.
Hoewel sommige onderzoekers, zoals Nancy Moran van de Universiteit van Texas in Austin, openstaan voor het classificeren van deze sterk gereduceerde bacteriën als organellen, blijven er verschillen bestaan. Mitochondria zijn veel ouder, ze zijn ruim 1,5 miljard jaar geleden ontstaan, en hun genomen zijn zelfs nog kleiner: ongeveer 15.000 basenparen. Bovendien zijn de mitochondriën door het hele organisme verspreid, terwijl deze symbiotische bacteriën beperkt blijven tot gespecialiseerde cellen.
Łukasik suggereert dat zowel deze bacteriën als de mitochondriën eenvoudigweg verschillende punten op een evolutionaire gradiënt van afhankelijkheid bezetten. Hij vermoedt dat zelfs kleinere symbiotische genomen onontdekt blijven, waardoor de grenzen tussen leven, symbiose en cellulaire integratie verder vervagen.
