In Californië zijn gistcellen gekweekt die voor hun energievoorziening afhankelijk zijn van inwonende bacteriën. Het kan dus kloppen dat mitochondriën oorspronkelijk óók zelfstandige bacteriën zijn geweest, schrijven Peter Schultz en collega’s van het Scripps-instituut in PNAS.

Die mitochondriën zijn ‘endosymbionten’. Ze kunnen een paar eiwitten zelf aanmaken maar zijn grotendeels afhankelijk van bouwstoffen die de omringende cel aanlevert. Omgekeerd heeft die cel de mitochondriën nodig voor de productie van de energiedrager adenosinetrifosfaat (ATP), via oxidatieve fosforylering.

Bij gistcellen (S. cerevisiae) is dat maar ten dele waar. Die kunnen bepaalde suikers, zoals glucose, ook helemaal zelf fermenteren om aan energie te komen. Pas als je ze geen glucose meer voert maar een niet-fermenteerbare koolwaterstof, zoals glycerol, hebben ze hun mitochondriën echt nodig. Dat maakt het een stuk eenvoudiger om er aan te knutselen: voor experimenteerdoeleinden bestaan al giststammen zonder werkende mitochondriën, en protocollen om er ‘vreemde’ mitochondriën in te zetten en te kijken wat er gebeurt.

Schultz’ experiment bootst de eerste stappen na van bacterie naar endosymbiont. De bacterie is hier een E. coli-stam waarin een plasmide is gezet met een gen voor een ADP/ATP translocase-enzym, afkomstig uit Protochlamydia amoebophila. Zo’n enzym maakt de uitwisseling van ADP en ATP door een celwand mogelijk. Met behulp van het reeds vermelde protocol plaats je deze bacteriën in het cytoplasma van gistcellen zonder werkende mitochondriën, die je vervolgens op een glyceroldieet zet.

Het werkt niet meteen: je blijkt de bacteriën ook nog te moeten verrijken met eiwitten die voorkómen dat de gistcel ze meteen in zijn lysosomen deponeert teneinde te worden gesloopt. De genen voor die zogeheten SNARE-achtige eiwitten vind je in pathogene bacteriën zoals Chlamydia, die van nature cellen binnendringen. Met die toevoeging krijg je inderdaad een werkende endosymbiose waarbij de gistcellen leven op ATP uit hun coli’s: het systeem blijft stabiel gedurende minstens 40 (gist)celdelingen.

De celdeling gaat wel een stuk langzamer dan normaal. Dat kan komen doordat de ATP-productie vrij langzaam gaat, maar bijvoorbeeld ook doordat de bacteriën niet gelijkmatig over de dochtercellen worden verdeeld. Eén dochter komt dan tijdelijk ATP tekort terwijl de andere doodgaat aan bacteriële overbevolking.

Vervolgens kun je een begin maken met het weglaten van genen uit de bacteriën zodat ze, net als mitochondriën, steeds afhankelijker worden van de omringende gistcel. Schultz begon met een gen dat essentieel is voor de synthese van de cofactor NAD, en constateerde dat de bacteriën inderdaad hun NAD uit de gistcel konden halen. Twee andere genen voor thiamine (vitamine B1) en het aminozuur serine konden ook straffeloos worden verwijderd.

Schultz vermoedt overigens dat bij mitochondriën in een andere volgorde is gegaan. Ze begonnen als bacteriële parasiet die met zijn ADP/ATP translocase de energievoorziening van de gastheer (vermoedelijk een archaeon) aftapte. Lekker makkelijk voor de parasiet. Maar het translocase werkt twee kanten op. En zo kan de gastheer verhuizen naar een omgeving waar hij geen fermenteerbaar voedsel meer vindt, om daar op zijn beurt te gaan parasiteren op de bacteriën.

bron: PNAS