Elkaars fouten corrigeren – waarom cellen samenklonterden in vroege evolutie
De overgang van eencelligheid naar meercellige organismen is een belangrijke stap geweest in de evolutie. Onderzoekers uit Leiden en Amsterdam ontwikkelden een wiskundig model dat mogelijk verklaart hoe meercelligheid tot stand kwam. Ze vermoeden dat cellen elkaars fouten corrigeren. Publicatie in eLife op 16 oktober.
Moderne dieren – waaronder mensen – zijn buitengewoon complexe organismen die bestaan uit vele miljarden cellen die samenwerken. Deze complexe meercellige organismen evolueerden uit veel eenvoudigere organismen, die op hun beurt ontstonden uit eencellige voorouders. Volgens genomische en fossiele data is de overgang van eencelligheid naar meercelligheid meerdere keren onafhankelijk van elkaar ontstaan in de evolutie. Wat dreef deze transitie naar meercelligheid? Onderzoekers van de Universiteit Leiden en de Universiteit van Amsterdam publiceerden een mogelijke verklaring hiervoor in het wetenschappelijke tijdschrift eLife.
Een geschikte plek vinden
Enrico Sandro Colizzi is postdoc bij het Mathematisch Instituut (MI) bij de Universiteit Leiden. In deze studie werkte hij samen met Renske Vroomans van de UvA en met Roeland Merks, hoogleraar Mathematische biologie bij het Instituut Biologie Leiden en het MI. Zij zijn allen verbonden aan het Origins Center, een platform voor onderzoek naar het ontstaan en de evolutie van het leven, planeten en het heelal, dat werd gefinancierd door de Nationale Wetenschapsagenda. Samen ontwikkelden zij een wiskundig model waarin digitale cellen evolueren. Colizzi: ‘In ons model moeten de cellen een geschikte plek vinden om zich te kunnen vermeerderen. De cellen konden die plek vinden door een chemisch spoor te volgen. Dit is heel gebruikelijk voor levende cellen. De slijmzwam Dictyostelium discoideum doet dit, bijvoorbeeld.’ De onderzoekers ontdekten dat de cellen niet in staat waren om de voorplantingsplek efficiënt te vinden als het chemische spoor heel zwak was.
Samenklonteren
De onderzoekers veranderden vervolgens de instellingen van het model. Dat stelde de cellen in staat om samen te klonteren, zodat ze een primitief meercellig organisme vormden. Een ‘blob’ noemt Colizzi het, en wat gebeurde was opmerkelijk. Colizzi: ‘De blob was verrassend goed in staat om de voortplantingsplek snel te vinden, ook als het spoor heel zwak was.’
De cellen konden als groep dus meer dan individuele cellen. Volgens Colizzi kan dit doordat cellen elkaars fouten corrigeren als ze in grote hoeveelheden zijn: ‘Als een eencellige het spoor niet kan vinden, raakt ie verdwaald. Maar als een cel in een groep het spoor niet kan vinden, volgt ie de anderen die dat wel kunnen.’
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofVideo: cellen klonteren samen om een voortplantingsplek te vinden, aangegeven met de donkere gradient. Door Colizzi et al.
Evolutie nagebootst
De onderzoekers onderwierpen de cellen vervolgens aan evolutionaire simulaties. In de simulaties konden de cellen eencellig blijven of samenklonteren. Wederom ontstond er meercelligheid omdat dat een efficiëntere manier was om de voortplantingsplek te vinden. De onderzoekers vroegen zich af wat er zou gebeuren als die locatie zo vaak veranderde, dat het een blob niet zou lukken om het te vinden. Collizi: ‘Toen het onmogelijk was om als blob een voortplantingsplek te vinden, ontstond er geen meercelligheid. De cellen klonterden niet samen.’
Colizzi denkt dat de cellen door alleen te blijven, zich beter kunnen verspreiden. En ook al vinden ze geen geschikte locatie omdat het spoor zwak is, sommige cellen zullen die plek op goed geluk toch tegenkomen. ‘Het merendeel van het leven op aarde is eencellig. Maar meercelligheid kan evolueren omdat groepen cellen sneller dan eencelligen goede plekken kunnen vinden. Het was een aangename verrassing om dit te zien gebeuren.’
Publicatie: Colizzi, E. S., Vroomans, R. M. A., & Merks, R. M. H. (2020). Evolution of multicellularity by collective integration of spatial information. eLife, 9, e56349. Advance online publication. https://doi.org/10.7554/eLife.56349
Headerafbeelding: eencelligen (rechts) kunnen de voortplantingsplek niet vinden (aangegeven als donkere gradient aan de linkerzijde). Door Colizzi et al.