Artikkel

Energimotoren i cellene våre stammer fra bakterier

Kamran Shalchian-Tabrizi, Klaus Høiland
Professorene Kamran Shalchian-Tabrizi (t.v.) og Klaus Høiland gleder seg til feiringen av 50-årsdagen for lanseringen av endosymbioseteorien – som forklarer hvorfor celler fikk energimotor og klorofyll. Foto: Ola Sæther/UiO

Energimotoren i cellene våre stammer fra bakterier

For halvannen milliard år siden slo to bakterier seg sammen og dannet energimotoren i cellene våre. Nå feires 50-årsjubileet for teorien som forklarer dette.

I 1967 – for 50 år siden – lanserte en av verdens mest kjente biologer, den amerikanske professoren Lynn Margulis (1938–2011), en oppsiktsvekkende og kontroversiell teori om hvordan helt vesentlige egenskaper i cellene til både planter, dyr og oss mennesker ble dannet. Etter et par tiår med diskusjoner og dyp skepsis, ble teorien omsider anerkjent.

3. november blir 50-årsdagen for teorien markert med et stort symposium ved Universitetet i Oslo.

Overgangen til celler med kjerner

I motsetning til alle bakterier har cellene våre cellekjerner. Celler med cellekjerner kalles eukaryote celler. Motstykket er prokaryote celler. I de prokaryote cellene flyter alt, både proteinene og genene, om hverandre i cellevæsken.

Celler og endosymbiose

Celler:

Prokaryote celler ble dannet først. De har ingen cellekjerner.

Eukaryote celler har cellekjerner. Alle flercellete organismer, inkludert oss mennesker, er eukaryote.

Cellekjernen er kommandosentralen. Det er her DNA-strengen er.

Alle eukaryote celler har organeller. Hver organelle har sin helt spesielle oppgave.

Endosymbiose:

Endosymbiose betyr at en organisme lever inne i en annen organisme.

Endosymbioseteorien handler om at visse organeller i cellene våre ble dannet fordi to  kjerneløse celler slo seg sammen.

I dag er det mulig å bevise at mitokondrien (energimotoren) og kloroplasten ble dannet gjennom symbiose.

De eukaryote cellene har ikke bare cellekjerner, men også en rekke organeller. Hver av organellene har sine helt spesielle oppgaver.

Selv om biologene allerede i lengre tid hadde kjent til forskjellen mellom prokaryote og eukaryote celler, var det først på sekstitallet at de slo fast at denne forskjellen var vesentlig for det moderne livet på Jorda.

– Det store spørsmålet ble da hvordan de eukaryote cellene ble dannet og hvor alle organellene i cellene våre kommer fra, forteller professor Kamran Shalchian-Tabrizi på Institutt for biovitenskap ved UiO. Han leder forskningsgruppen Morphoplex, som jobber med å forstå de store endringene i livets historie.

Fascinerende evolusjon

De første cellene på Jorda var bakterier og arkebakterier. Arkebakterier skiller seg fra bakterier blant annet ved at de klarer seg i ekstreme omgivelser. De var alle prokaryote.

De prokaryote cellene er de enkleste cellene på Jorda og ble dannet allerede for 3,5 milliarder år siden. Til sammenligning er Jorda 4,6 milliarder år gammel.

– Hele livet stammer fra én eneste celle, forteller Klaus Høiland på Institutt for biovitenskap. Han har de siste 25 årene fått en rekke priser for sin evne til å formidle biologi på en folkelig måte.

Høiland påpeker at cellene er basert på noen viktige prinsipper: En membran som holder cellesaften på plass, metabolisme som kan drive cellen og et arvemateriale som kan sørge for formering og spredning av genene til neste generasjon.

– Du kan sammenligne cellen med et skip. Den må ha et skrog, en fyrbøter som kan fyre opp skipet og en kaptein som kan styre det. Kapteinen må kunne gi beskjed til fyrbøteren og omvendt, slik som at skipet mangler fyring, forteller Klaus Høiland.

Alle de molekylærbiologiske reaksjonene i de encellete organismene fungerer inne i et sluttet system, og alle systemene i cellen er avhengige av hverandre. Hvis ikke hadde det blitt anarki.

– Det tok nok noen hundre millioner år å utvikle dette, beretter Klaus Høiland.

De prokaryote cellene rådde på Jorda i én til to milliarder år og klarte seg utmerket alene.

Cellekjerne

Så skjer noe vesentlig. De eukaryote cellene, altså celler med cellekjerner, dukker opp.

De eukaryote cellene har trolig utviklet seg fra arkebakterier.

– Det var billioner på billioner av prokaryote organismer på Jorda. Den ene blir en eukaryot celle, og den overlevde. Denne overgangen kan ha skjedd millioner på millioner av ganger, fordi man hadde millioner av år til disposisjon, men vi har bare bevis for at denne overgangen skjedde én gang, forteller Klaus Høiland.

I motsetning til hos de prokaryote cellene er alt DNA-et samlet i cellekjernene.

– Hvor cellekjernen kommer fra, er ennå ikke kjent, men her fins det mange teorier. Noen har tidligere ment at cellekjernen oppstod fordi det ble dannet en membran rundt arvestoffet, og at cellekjernen ikke ble dannet gjennom endosymbiose, at membranen rett og slett ble dannet inne i en prokaryot organisme, forteller Klaus Høiland.

Dette trodde biologene lenge på, inntil de oppdaget at et par av organellene var kledd med en dobbeltmembran.

Dette kunne forklares med teorien til Lynn Margulis. Teorien hennes, som ble kalt for endosymbioseteorien, handlet om at de enkelte organellene i de eukaryote cellene ble dannet fordi to prokaryote celler slo seg sammen. Endosymbiose betyr at den ene av organismene lever inne i den andre.

Sammenslåingen av cellene kan ha skjedd på forskjellige måter. En mulighet er at den ene forsøkte å spise den andre. En annen er at den ene forsøkte å parasittere en annen. Det betyr at den ene cellen har trengt seg inn i verten i et forsøk på å spise den opp innenifra. En tredje mulighet er at de to cellene av en eller annen merkelig grunn bare slo seg sammen.

Cellen som havnet inne i vertscellen kalles endosymbionten. Begge cellene må ha hatt en evolusjonsfordel av samarbeidet. Essensielle gener fra endosymbionten ble flyttet til vertens DNA. Verten begynte da å produsere proteiner som endosymbionten trengte.

LES OGSÅ: Cellene vandrer rundt i kroppen, men hvordan det skjer, vet vi lite om

Energimotoren

En av organellene med dobbeltmembran er mitokondrie. Den er energimotoren i cellene våre. Uten mitokondriene hadde ikke cellene våre klart å leve mer enn noen timer.

En del av endosymbioseteorien handler nettopp om hvordan mitokondriene ble en del av cellene våre.

Mitokondriene ble til etter at atmosfæren fikk oksygen. Jobben til mitokondriene er å danne energi ved å forbrenne glukose med oksygen. Da dannes energien ATP, som er brenselet i cellene våre.

– Når du sykler, trenger muskelcellene dine energi. Da trenger cellene ATP. Uten ATP ville du ikke ha kommet så langt, forklarer Klaus Høiland.

De eneste cellene hos oss mennesker som klarer seg uten mitokondrier, er sædcellene. Sædcellene er stappfulle av ATP og har derfor nok energi til å utføre oppdraget sitt den korte tiden de har til rådighet.

En annen organelle, som også stammer fra endosymbiose, er kloroplast. Kloroplast finnes bare i planter og i alger. Jobben dens er å danne glukose fra fotosyntesen.

Med moderne DNA-metoder vet biologene i dag at mitokondriene ble skapt før kloroplastene.

Mitokondriene la grunnlaget for dyr og sopp. I neste omgang kom kloroplasten – som la grunnlaget for planter og alger.

– Endosymbiosen av mitokondriene og kloroplastene er to av de viktigste hendelsene i livets historie – både for oss mennesker og for den enorme biodiversiteten på Jorda. Lanseringen av endosymbioseteorien er derfor så viktig at den burde ha fått en merkedag i kalenderen. Mitokondriene og kloroplastene er eksempler på biologisk innovasjon med kolossale konsekvenser, poengterer Kamran Shalchian-Tabrizi.

Norsk professor fikk mest rett

Lynn Margulis ble verdensberømt for endosymbioseteorien. Det er derimot langt mindre kjent at den norske professoren Jostein Goksøyr (1922–2000), fra Universitetet i Bergen, samtidig lanserte en nesten identisk teori. Begge ble publisert i vitenskapelige tidsskrifter, uavhengig av hverandre.

Jostein Goksøyr
Jostein Goksøyrs arbeid gikk først i glemmboken. Men det er teorien hans som er blitt den vanligste tankegangen i dag.

Begge forskerne blir behørig omtalt under universitetets jubileumsfeiring av  endosymbioseteorien i november.

Selv om Lynn Margulis og Jostein Goksøyr lanserte teorien samtidig, var de uenige om hvor mye som er skapt gjennom endosymbiosen.

Lynn Margulis mente at både cellekjernen og alle organellene ble dannet gjennom endosymbiose. Jostein Goksøyr hevdet derimot at bare to av organellene, mitokondriene og kloroplastene, ble dannet gjennom endosymbiose.

Selv om Lynn Margulis ble berømt for hypotesen sin, er det tankene til den mer anonyme Jostein Goksøyr som er allment anerkjent i dag.

Høna eller egget

Biologene har lenge diskutert om cellekjernen eller mitokondriene kom først.

– Mitokondrier har vært en forutsetning for de eukaryote cellene. Hadde det vært så enkelt at kjernen kom først, burde det finnes celler som ikke har mitokondrier, sier Klaus Høiland.

Likevel finnes det eukaryote celler uten mitokondrier. Derfor kunne Lynn Margulis ha hatt rett. Hun mente at kjernen kunne ha kommet før mitokondriene, men nå vet man – gjennom DNA-analyser – at alle nålevende eukaryote celler en eller annen gang har hatt mitokondrier.

I celler uten mitokondrier er det mulig å finne til dels reduserte mitokondrier. I disse cellene har man også oppdaget at DNA-et fra mitokondriene har havnet i DNA-et i cellekjernen.

Et eksempel på en mitokondriefri celle er tarmparasitten Giardia som ødela drikkevannet i Bergen høsten 2004. Denne ekle, sykdomsfremkallende parasitten trenger ikke oksygen for å lage energi. Den har derfor ikke noe behov for en mitokondrie.

Men selv om den ikke har en mitokondrie, har forskere funnet rester av mitokondriens gener i cellekjernens eget DNA.

– Det betyr at den ene hypotesen til Lynn Margulis faller. Alle eukaryote celler har en eller annen gang hatt mitokondrier, påpeker Klaus Høiland.

Lynn Margulis mente også at organellene, slik som sentriolen og flagellen, stammer fra andre prokaryote organismer. Sentriolen organiserer kromosomene når cellen deler seg. Flagellen har ansvaret for bevegelse, og noen ganger er flagellen viktig når cellen skal ta til seg føde, feste seg eller formere seg.

– Poenget er at ingen har klart å finne arvemateriale verken i sentriolen eller flagellen. Det er fristende å tro at også disse organellene har hatt et eget liv, men fordi de mangler DNA er dette umulig å bevise. Hvis de tidligere har vært en egen organisme med DNA, er enten alt DNA-et flyttet over til kjernen eller blitt redusert bort, forteller Høiland.

Lynn Margulis møtte mye motgang med endosymbioseteorien sin.

– Alle slike revolusjonerende hypoteser trenger tid før de fester seg. Selv om man visste at mitokondrier og kloroplast inneholder DNA, tenkte mange at dette DNA-et bare var en kuriositet. Tanken på at disse organellene skulle skyldes innflytelse av organismer utenifra, ble nesten sett på som at det hadde vært aliens med i bildet, forteller Klaus Høiland.

Uenigheten var stor og temperaturen høy. Det tok derfor tjue år før endosymbioseteorien ble akseptert.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg oss på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt.

Nesten i glemmeboken

Mens Lynn Margulis ble verdenskjent for teorien sin – ikke minst gjennom sine mange foredrag og populærvitenskapelige bøker, har Jostein Goksøyr nærmest gått i glemmeboken.

– Goksøyrs bidrag er underkommunisert og glemmes ofte. Margulis var en fremtredende stemme i biologien, men artikkelen til Goksøyr var likevel meget viktig, påpeker Kamran Shalchian-Tabrizi.

Selv om Jostein Goksøyr bare gjorde dette ene arbeidet innen endosymbioseteorien, er det nettopp han som traff blink med ideene sine.

– Goksøyr hevdet at bare kloroplaster og mitokondrier stammer fra andre prokaryote bakterier. Det er det vi kan bevise i dag. Tegningene hans fra den gangen brukes fortsatt i dagens lærebøker. Den eneste forskjellen fra artikkelen i det vitenskapelige tidsskriftet Nature er at tegningene hans er stæsjet litt opp, sier Høiland.

Det var også Goksøyr som beskrev hvordan endosymbioten gjennom genoverføring ble avhengig av verten.

– Denne teorien er fortsatt sentral i evolusjonær cellebiologi.

Det endelige beviset for endosymbioseteorien fikk forskerne da det ble mulig å analysere DNA i mitokondrier og kloroplaster og sammenligne disse med DNA fra frittlevende organismer.

Slikt arbeid er svært krevende. Her trengs det ikke bare hel-sekvensering av DNA-strenger. For å kunne sammenligne de enormt lange DNA-strengene på flere milliarder basepar, trengs det også regnekrevende, statistiske metoder og lang kjøretid på superhurtige datamaskiner. Dette fagfeltet kalles bioinformatikk.

– Det var spesielt krevende å finne ut av hvor mitokondriene kommer fra. Derimot var det lettere å finne slektskapet til kloroplastene, forteller Klaus Høiland.

Teoretisk grubling

Anders Goksøyr, sønnen til Jostein Goksøyr, var bare ti år gammel da hans far lanserte endosymbioseteorien. Han er i dag professor i biologi på Universitetet i Bergen og er invitert som æresgjest til 50-årsmarkeringen ved Universitetet i Oslo.

– Min far og Lynn Margulis skrev noenlunde samtidig, men visste ikke om hverandres arbeider før de kom på trykk. Far ble oversett og burde kanskje fått litt mer ære for teorien. Far sa at Lynn Margulis, uavhengig av ham, kom frem til at endosymbioseteorien var en viktig drivkraft for evolusjonen. Han hadde evne til å se lenger enn den etablerte kunnskapen. Far påpekte enda sterkere enn Lynn Margulis at det var de prokaryote bakteriene som ble tatt opp i verten, og at de ikke levde videre som et selvstendig genom, men at man kunne finne rester av genomet i mitokondriene og kloroplastene, forteller Anders Goksøyr.

Han legger til at den vitenskapelige artikkelen ene og alene var basert på teoretisk grubling.

Goksøyr forteller at det var Lynn Margulis som fulgte opp teorien i etterhånd og at det var hun som – i mye større grad enn hans far – måtte kjempe for teorien. Men det er teorien til Jostein Goksøyr som har vunnet frem og er blitt den vanligste tankegangen i dag.

Artikkelen ble først publisert i Apollon

Mer på Titan.uio.no:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Henrik Svensen

Steinbra formidler

Henrik Svensen ble tidlig bergtatt av steiner og Jordens eldgamle mysterier. Nå er han hedret for sitt arbeid med å bringe denne kunnskapen ut til folk.
Teamet som har utviklet den nye elektrolysemodulen

Nye materialer produserer hydrogen mer effektivt og klimavennlig

Drømmen om å bruke en spesiell type keramiske materialer til elektrolyse ved høye temperaturer er snart 30 år gammel, men nå har professor Truls Norby og samarbeidspartnere fått det til. Metoden kan for eksempel omdanne en blanding av metan og vanndamp til hydrogengass og ren CO2, som kan deponeres offshore.