Biologen van de Universiteit van Syracuse bestuderen hoe microbiële eukaryoten gedijen in de barre omgeving van geothermische meren. Er wordt geschat dat er ongeveer 8,7 miljoen soorten eukaryoten op aarde zijn. Eukaryoten worden gekenmerkt door een kern en andere membraangebonden organellen in de cel. Hoewel mensen eukaryoten vaak associëren met dieren en planten, vormen deze vormen van eukaryoten feitelijk slechts twee van de zes hoofdcategorieën van eukaryoten.
Oliverio en Rappaport brachten de zomer door met veldonderzoek in het Lassen Volcanic National Park in Californië, waar veel hydrothermale landvormen voorkomen. Bron: Universiteit van Syracuse
Een groot deel van de eukaryotische diversiteit bestaat uit eencellige micro-organismen die protisten worden genoemd. Door deze organismen te bestuderen kunnen wetenschappers de evolutionaire paden verkennen die verantwoordelijk zijn voor de rijke diversiteit en complexiteit van eukaryoten. Door deze onderzoeken kunnen we leren over de ontwikkeling van het dierenleven op aarde, zoals de opkomst van meercelligheid.
Terwijl onderzoekers proberen de mechanismen achter de evolutie van de soorten op aarde beter te begrijpen, blijven er vragen bestaan over hoe microbiële eukaryoten zich aanpassen aan de extreme omgevingen op aarde. Om deze vraag verder te onderzoeken bestuderen wetenschappers van de afdeling Biologie van het College of Arts and Sciences (A&S) momenteel inheemse organismen die in enkele van de zwaarste omgevingen op aarde leven: extreem hete en zure geothermische meren.
A&S-biologen Angela Oliverio (links) en Hannah Rappaport bij het grootste geothermische meer in de Verenigde Staten in het Lassen Volcanic National Park in Californië. Bron afbeelding: Universiteit van Syracuse
Een team onder leiding van universitair docent biologie Angela Oliverio is onlangs teruggekeerd uit het Lassen Volcanic National Park in Californië, de thuisbasis van het grootste geothermische meer in de Verenigde Staten.
"Het meer is een door zuursulfaatdamp verwarmd geothermisch kenmerk, wat betekent dat het zowel behoorlijk heet (ongeveer 52 ° C) als zuur (ongeveer pH 2) is", zegt Oliverio, die in 2022 aan de Universiteit van Syracuse gaat werken. "Dit maakt het een zeer unieke omgeving om multiextreme acidofielen te bestuderen, dit zijn organismen die zijn aangepast aan twee of meer extreme omstandigheden - in dit geval hoge temperaturen en lage pH."
Dus hoe wisten ze dat ze naar microbieel eukaryotisch leven moesten zoeken in een thermaal meer in Californië? Onlangs publiceerden Oliverio en Hannah Rappaport, een onderzoeker in Oliverio's laboratorium, gezamenlijk een onderzoeksartikel in Nature Communications. In dit artikel heeft het onderzoeksteam een database opgezet met eerder onderzoek naar de zoektocht naar microbieel eukaryotisch leven in extreme omgevingen. Concreet analyseerden ze welke eukaryotische afstammingslijnen meerdere keren werden gedetecteerd in verschillende onderzoeken onder vergelijkbare omgevingsomstandigheden.
Afbeelding van een amoebe (ronde grijze klodder op de achtergrond) en rode algen (vier witte ovalen op de voorgrond), gemaakt door Hannah Rappaport met behulp van een lichtmicroscoop. De monsters zijn genomen uit een geothermisch meer in het Lassen Volcanic National Park. Bron afbeelding: Universiteit van Syracuse
"We ontdekten dat er verschillende amoebe-soorten zijn die vaak voorkomen in omgevingen met extreem hoge temperaturen," zei Oliverio. "Dit suggereert dat het bestuderen van deze stammen aanzienlijke implicaties kan hebben voor de manier waarop eukaryotische cellen zich aanpassen aan het leven in omgevingen met extreem hoge temperaturen."
Volgens Oliverio toonde een speciaal onderzoek, uitgevoerd door het Gordon Wolfe Laboratory van de California State University, Chico aan dat een soort amoebe genaamd thermomoebae overvloedig aanwezig is in het geothermische meer in Lassen National Park. Er zijn momenteel echter geen genomische gegevens voor dit organisme. Bepalen hoe dit wezen zich heeft aangepast aan zulke extreme omgevingen zou ons begrip kunnen vergroten van welke soorten omgevingen in het universum geschikt zijn voor leven.
Afgelopen zomer reisden Oliverio en Rappaport naar Lassen National Park om meer te weten te komen over deze bijzondere protist en om te zoeken naar andere nieuwe extremofiele eukaryoten. Aan de rand van het meer gebruikte het team een lange bamboestok van een schilder met daarop een fles van 1 liter om monsters te verzamelen – geen geringe prestatie als je bedenkt dat het water van het meer ruim 45 graden Celsius is. De flessen werden vervolgens teruggestuurd naar Oliverio's laboratorium aan de Universiteit van Syracuse, waar het team nu afzonderlijke cellen isoleert voor genoomsequencing en de kenmerken van de amoebe onder een microscoop observeert.
Syracuse University-onderzoeker Hannah Rappaport doopte flessen in het hete meer om monsters te verzamelen. Vanwege de warme watertemperaturen en de onstabiele grond moeten onderzoekers een veilige afstand bewaren tijdens het verzamelen van monsters. Bron afbeelding: Universiteit van Syracuse
Hoewel er nog veel onbekend is over hoe eukaryoten zich aanpassen aan extreme omgevingen, hoopt Oliverio dat dit onderzoek zal helpen een aantal van de huidige leemten in de kennis op te vullen.
Afbeelding van een amoebe (ronde grijze klodder op de achtergrond) en rode algen (vier witte ovalen op de voorgrond), gemaakt door Hannah Rappaport met behulp van een lichtmicroscoop. De monsters zijn genomen uit een geothermisch meer in het Lassen Volcanic National Park.
"We vermoeden dat er iets speciaals is aan deze amoebe-morfologie waardoor deze in deze eukaryotische afstammingslijnen kan blijven bestaan, maar het mechanisme blijft onbekend," zei ze. "Op basis van onze studie veronderstellen we dat horizontale genoverdracht (de verplaatsing van genetische informatie tussen organismen) en genoomsnoei (wanneer een genoom genen verwijdert die het niet nodig heeft) van bacteriën, evenals de uitbreiding van bijzonder nuttige genfamilies, een paar manieren kunnen zijn waarop protisten een gereedschapskist verwerven om te overleven in extreme omgevingen."
De ontdekking op genoomschaal van het team zal belangrijke ontbrekende gegevens opleveren voor de reconstructie van de levensboom. "Dit zal ons begrip van de verspreiding en evolutie van het leven op aarde verder verdiepen."