For 2,5 milliarder år siden steg niveauet af ilt drastisk i jordens atmosfære. Det tvang bakterierne til at tilpasse sig et nyt og skadeligt miljø. For selvom vi normalt opfatter ilt som noget positivt, kunne det have taget livet af det første liv.
Vi ved, at såkaldte quinoner, som coenzym Q10, bruges i vores omsætning af ilt – vores såkaldte vejrtrækning eller respiration – til dannelsen af energi. Vi mennesker bruger ligesom dyrene og planterne udelukkende Q10 i forbindelse med denne omsætning, men nogle mikroorganismer bruger to forskellige typer af quinoner til at transportere elektroner i cellerne.
Lige denne særegne konstruktion: at nogle bakterier har udviklet hele to typer quinoner har i mange år givet spekulationer hos forskerne. Nu har en undersøgelse fundet svaret og offentliggjort det i Proceedings of the National Academy of Sciences i USA.
Q10 var den nye quinon i klassen
Undersøgelsen viser, at da iltniveauerne i atmosfæren steg dramatisk for 2,5 milliarder år siden, udviklede nogle bakterier en ny type quinon, der beskyttede bedre mod det giftige ilt, der gav udfordringer for det gamle quinon – naphthoquinon.
Denne nye og iltoptimerede type quinon er siden blevet overført til alle andre levende organismer på planeten, inklusive de mennesker, der lever i dag.
”Undersøgelsen besvarer et grundlæggende spørgsmål, som forskere har stillet i mange år: Hvorfor bruger de fleste organismer i dag ubiquinon i stedet for naphthoquinon i elektrontransport? Hvad er forskellen mellem dem, og hvad var fordelen ved at skifte?” siger en af forskerne bag undersøgelsen, Bernhard Palsson, fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet.
Bakterier fyldte ilt i atmosfæren
Næsten alle levende organismer bruger ubiquinon i elektrontransportkæden til at omdanne glukose til energi, vand og ilt.
Før ubiquinon brugte bakterier naphthoquinon, men den gamle primitive bakterieart, cyanobakterier, begyndte at fylde jordens atmosfære med giftigt ilt for 2,5 milliarder år siden.
Denne ilt fører til oxidativ stress på celleniveau, fordi reaktive iltarter kan trænge ind, binde sig til og ødelægge mange proteiner og enzymer. Ilten skal derfor overvåges – for eksempel igennem elektrontransportkæden – og her har naphthoquinon den udfordring, at den har en tendens til at frigive elektroner.
”Når det sker, kan ilt blive reaktive iltarter (ROS), der kan ødelægge cellerne indefra. Ubiquinon er modsat meget bedre til at tilbageholde elektroner end naphthoquinon. At skifte til ubiquinon snarere end at bruge naphthoquinon var derfor evolutionært fordelagtigt for gamle bakterier,” forklarer Bernhard Palsson.
Forsøg med bakterier viste forskellen
I undersøgelsen studerede forskerne E. coli-bakterier. Disse organismer bruger stadig både ubiquinon og naphthoquinon.
E. coli kan overleve i et meget iltfattigt miljø, såsom i menneskers tarme, men de kan også overleve uden for kroppen, hvor der er masser af ilt. Derfor har bakterierne bevaret deres evne til at skifte mellem de to forskellige typer quinoner afhængigt af deres miljø.
I undersøgelsen skabte forskerne to nye stammer af E. coli: En uden ubiquinonproduktion og en uden naphthoquinonproduktion. Derefter observerede de, hvordan bakterierne udviklede sig og fungerede, sammenlignet med en gruppe af vildtype-bakterier, der havde begge quinoner.
Både vildtype-bakterierne og ubiquinon-bakterierne voksede som sædvanligt, hvorimod bakterierne, der brugte naphthoquinon, voksede 30 pct. langsommere i vores iltrige miljø.
Nødt til at forsvare sig mod oxidativ stress
Hvorfor de naphthoquinon-baserede bakterier voksede langsommere end de ubiquinon-baserede bakterier, var forskernes næste spørgsmål.
Svaret er, at de naphthoquinon-baserede bakterier i forsøget måtte afsætte mange ressourcer til at forsvare sig mod oxidativ stress i cellerne og mellem cellens to ydre membraner.
”Bakterierne skal bruge mange ressourcer til at beskytte sig mod reaktive iltarter, der opstår i elektrontransportkæden, fordi naphthoquinon ikke binder ilt godt nok. Dette gjorde ikke noget for 2,5 milliarder år siden eller i et andet iltfattigt miljø, men det er meget vigtigt for livet i den nuværende atmosfære. Det er grunden til, at E. coli, der kun kan bruge naphthoquinon i vores eksperimenter, vokser langsommere,” forklarer Bernhard Palsson.
Kilde: Sciencenews.dk
Forskningsartikel: "Adaptive evolution reveals a tradeoff between growth rate and oxidative stress during naphthoquinone-based aerobic respiration" – offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences i USA.
