Geschreven in steen

In haar kantoor in Gebouw 68 houdt Dianne Newman een gepolijste, bolvormige rots met strepen van ijzeren banden. Dergelijke rotsen zijn op elk continent te vinden en zijn de meest voorkomende bron van ijzererts. En voor Newman leveren exemplaren zoals dit 2,4 miljard jaar oude voorbeeld inzichten op die kunnen helpen een zeer knoestig deel van de geschiedenis van de aarde te ontrafelen. Wanneer begonnen oude microben de zuurstof te produceren die we inademen, en wat voor soort microben waren dat?

Newman was niet van plan haar carrière te besteden aan het onderzoeken van dergelijke vragen. Ze kwam in 1993 naar het MIT om een ​​master in engineering te halen, in de veronderstelling dat ze een paar jaar in het veld zou werken voordat ze rechten ging studeren om octrooigemachtigde te worden. Maar tijdens een cursus milieumicrobiologie raakte ze gefascineerd door de diversiteit van het metabolisme van bacteriën - de chemische reacties die ze uitvoeren om te leven. Ik heb geleerd dat bacteriën giftige stoffen kunnen eten en ze in goedaardige kunnen veranderen, herinnert ze zich. Een project dat bacteriën ertoe aanzette arseen om te zetten in een halfgeleidend materiaal, maakte haar geïnteresseerd in hoe bacteriën de chemische samenstelling van de aarde zouden kunnen hebben gevormd, en ze verhuisde naar de afdeling geowetenschappen, waar ze promoveerde. Na zeven jaar bij Caltech te hebben gewerkt, trad ze in 2007 toe tot de MIT-faculteit als hoogleraar biologie en geobiologie.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2008

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Microben zijn de beste chemici ter wereld, verwondert Newman zich. Goed genoeg om zijn omgeving te hebben hervormd. Toen ons zonnestelsel 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd, was de atmosfeer van de aarde bijna verstoken van zuurstof. De eerste eencellige levensvormen, die ongeveer 3,8 miljard jaar geleden ontstonden, leefden waarschijnlijk in de zeeën en hadden een metabolisme dat geen zuurstof nodig had en het ook niet als bijproduct produceerde. Sommigen van hen leefden van ijzer; hun metabolische processen veranderden de chemische toestand van het ijzer en creëerden de afzettingen in het gesteente van Newman. Anderen voedden zich waarschijnlijk met zwavel.

En toen gebeurde er iets dat het dieren- en plantenleven zoals wij dat kennen mogelijk zou maken. Sommige bacteriën begonnen zonlicht te gebruiken om water te splitsen in waterstof, dat ze gebruikten om brandstof te maken, en zuurstof, dat ze als afval vrijgaven. Dankzij zuurstoffotosynthese hadden de atmosfeer en het ondiepste oceaanwater ongeveer 2,4 miljard jaar geleden aanzienlijke zuurstofniveaus; ongeveer 540 miljoen jaar geleden waren de zuurstofniveaus vergelijkbaar met die van vandaag.

De vraag welk organisme voor het eerst zuurstof begon te produceren en wanneer, is een van de grote mysteries in de geschiedenis van de aarde. Het is een heel moeilijk probleem, maar echt verleidelijk, zegt Newman.

Om het te beantwoorden, richten Newman en anderen aan het MIT en over de hele wereld zich op rotsen zoals die in haar kantoor. Net als dinosaurusbotten, werden de overblijfselen van bacteriën die in de oude zeeën leefden gedurende miljoenen (in het geval van de bacteriën miljarden) jaren in gesteente verwerkt. Onderzoekers weten dat bepaalde verbindingen alleen worden gemaakt door processen die worden uitgevoerd in levende organismen, dus als ze dergelijke verbindingen in een rots zien, betekent dit dat de rots sporen van oud leven weerspiegelt. Geobiologen interpreteren deze bacteriële fossielen door de chemische verbindingen erin te vergelijken met die gemaakt door moderne bacteriën die nog steeds afhankelijk zijn van oude metabolische processen. Door een dergelijke analyse hopen ze vast te stellen welke microben de chemische verbindingen in de rotsen hebben gemaakt. Je moet kijken naar de functie van deze chemicaliën in veel levende organismen, zegt Newman. Dit soort logica verbindt ons met het verleden.

Een van de belangrijkste chemische sporen die oude bacteriën achterlaten, is een groep verbindingen die 2-methyl-BHP's worden genoemd. In 1999 vonden Roger Summons, een MIT-professor in de geobiologie, en collega's deze verbindingen in 2,5 miljard jaar oude rotsen uit het Hamersley-bekken in het westen van Australië. Deze rotsen, afkomstig uit een ijzermijn, lijken op de gepolijste steen in het kantoor van Newman. Tegenwoordig zijn zuurstofproducerende fotosynthesizers, cyanobacteriën genaamd, de belangrijkste producenten van deze BHP's. Om deze reden en vele anderen, waaronder bepaalde kenmerken van de Hamersley-site, hebben Summons en anderen de vondst geïnterpreteerd als bewijs dat cyanobacteriën 2,5 miljard jaar geleden moderne fotosynthese uitvoerden. De logica was dat deze verbindingen worden gemaakt door cyanobacteriën; cyanobacteriën doen aan zuurstof fotosynthese; daarom was er in die tijd sprake van zuurstoffotosynthese, zegt Newman.

Newman denkt dat haar eigen onderzoek deze conclusie in twijfel trekt. Ze heeft een andere bacteriestam bestudeerd die BHP's produceert: de zogenaamde paarse bacteriën, die geen water kunnen gebruiken om zuurstof te produceren. In plaats daarvan oxideren ze ijzer, waterstof of verschillende organische verbindingen. We proberen de functie van [BHP's] te achterhalen in de cellen die ze tegenwoordig maken, zegt ze. Onze voorlopige bevindingen geven aan dat BHP's geen direct verband hebben met fotosynthese. Summons, die met Newman samenwerkt aan een deel van haar onderzoek, vat haar scepsis niet persoonlijk op; hij is ervan overtuigd dat haar werk zal leiden tot belangrijke inzichten in deze verbindingen en, vooral, waarom en hoe bacteriën ze maken. Hij wijst er echter ook op dat haar bevindingen de theorie dat chemische sporen achtergelaten door cyanobacteriën in Hamersley bewaard blijven, niet weerleggen.

Ondertussen belicht Newmans werk met bacteriële verbindingen die bekend staan ​​als fenazines een probleem dat directer is dan het mysterie van hoe onze zuurstofrijke lucht is ontstaan. Door de manier te veranderen waarop wetenschappers deze organische moleculen begrijpen, zou haar onderzoek kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor chronische bacteriële infecties.

Fenazines zijn lange tijd geclassificeerd als secundaire metabolieten, bijproducten van de processen die meer kritische metabole verbindingen produceren. Het is ook al lang bekend dat ze als antibiotica werken. Maar Newman heeft aangetoond dat fenazines ook ingrijpende effecten hebben op de overleving en ontwikkeling van microben.

Newman kwam op het idee voor dit onderzoek toen hij bacteriën bestudeerde die, hoe vreemd het ook klinkt, ijzerhoudende rotsen gebruiken om te ademen. Mensen gebruiken zuurstof om de koolstof in bijvoorbeeld een broodje tonijn te verbranden, waardoor energie ontstaat; de rol van de zuurstof is om elektronen uit de koolstof te accepteren. IJzer speelt een vergelijkbare rol voor de rotsademende bacteriën, die hun energie krijgen wanneer ze de elektronen in koolstofhoudende verbindingen zoals glucose overbrengen naar het ijzer in rotsen. Het ademt niet in de menselijke zin - het ijzer zelf komt de cellen niet binnen, zoals zuurstof onze longen binnenkomt. In plaats daarvan geven rotsademende bacteriën een elektrische stroom door aan het ijzer met behulp van moleculen die fungeren als elektronenshuttles. Deze moleculen transporteren elektronen van de ene bacteriële cel naar de andere en uiteindelijk naar het oppervlak van een ijzerhoudend gesteente, zoals de handen van een publiek dat een crowdsurfende rockster vervoert. Newman en haar collega's veronderstellen dat fenazines kunnen fungeren als elektronenshuttles in andere bacteriën.

Als ze gelijk hebben, kan hun inzicht bredere implicaties hebben, omdat het een generiek probleem aanpakt waarmee bacteriën op elk oppervlak kunnen groeien. Er zijn maar weinig bacteriën die op zichzelf wonen. Het maakt niet uit waar en hoe ze hun energie krijgen - of ze nu genieten van de suikers in de spleten van je tanden of zwavel slurpen uit onderzeese ventilatieopeningen - de meeste bacteriën leven in dikke, plakkerige gemeenschappen die biofilms worden genoemd. In een biofilm zullen sommigen van hen dichter dan anderen bij de chemicaliën zijn die ze nodig hebben om hun energieproducerende reacties uit te voeren. Toen Newman nadacht over de manier waarop ijzerademende bacteriën elektronenshuttles gebruiken om hun elektronen van diep in een biofilm naar een rotsoppervlak te transporteren, realiseerde ze zich dat bacteriën die in biofilms in ons lichaam groeien iets soortgelijks zouden kunnen doen.

Newman besloot het belang te testen van fenazinen die worden geproduceerd door de menselijke ziekteverwekker Pseudomonas aeruginosa, die ernstige chronische infecties veroorzaakt bij mensen met cystische fibrose of bij wie het immuunsysteem is aangetast. Als ze in de longen leven, zouden deze bacteriën hetzelfde probleem tegenkomen als de steenademhalers ver weg: die in het midden van de biofilm zouden worden geïsoleerd van een belangrijk energiesubstraat, in dit geval zuurstof.

Om te testen of deze bacteriën fenazines konden gebruiken om de uitdagingen van het gemeenschapsleven te overwinnen, ontwikkelden onderzoekers in het laboratorium van Newman twee mutante stammen van hen. De ene soort kon geen fenazinen maken, terwijl de andere ze in grote hoeveelheden maakte. Toen Newman en haar medewerkers de bacteriën in petrischalen kweekten, zagen ze verschillen in de architectuur van hun gemeenschappen. De overproducerende soort groeide in een strakke, gladde laag, verspreid als Los Angeles. De fenazine-vrije soort verspreidde zich ook over een groot gebied, maar groeide in hoge torens, gebouwd als New York City, vermoedelijk om de blootstelling van elke cel aan de zuurstof in de lucht te maximaliseren.

Deze resultaten zijn veelbelovend; nu moet Newman tests uitvoeren om te zien hoe de twee mutante stammen in de long groeien. Als Pseudomonas fenazines nodig heeft om te overleven, zouden onderzoekers in theorie therapieën kunnen ontwikkelen die voorkomen dat de bacteriën ze synthetiseren of gebruiken; die chronische infecties kunnen helpen uitroeien.

Toegang tot zuurstof is tegenwoordig net zo'n probleem als toegang tot een mineraal in het verleden was, zegt Newman. Het zijn precies zulke verbindingen die geobiologie tot een rijke en verrassende bron van kennis maken, niet alleen over de geschiedenis van de planeet, maar ook over ons heden.

zich verstoppen