Wenn Sie Ihre Zellen unter einem Mikroskop betrachten, sehen Sie, dass fast alle von ihnen einen Kern, Mitochondrien und andere Ausrüstung in sich haben. Eukaryotische Zellen, Zellen mit Zellkern, sind die Grundlage aller komplexen Lebensformen von Pilzen, Pflanzen und uns. Der Wechsel von einer prokaryotischen Zelle zu einer komplexen Zelle ist von grundlegender Bedeutung für die Evolution des Lebens, aber wie kam es dazu?

Die bevorzugte Erklärung war, dass ein Archaeon ein Bakterium verschluckt hat. Die beiden entwickelten eine symbiotische Beziehung und entwickelten sich zu Eukaryoten. Diese Erklärung stört mich ein wenig, weil das Paar schnell viel Arbeit erledigen muss, aber ich nehme an, wenn Archaea jeden Tag Millionen und Abermillionen von Bakterien fressen, dann unternehmen sie viele Versuche.

David Baum, Professor für Botanik und Evolutionsbiologe an der University of Wisconsin-Madison, hat vorgeschlagen ein neues Modell für die Evolution von Eukaryoten. Sein Modell ist auf den Kopf gestellt und für einen Nichtbiologen wie mich sieht es plausibel aus.

Baum und sein Cousin Buzz Baum von der UCL argumentieren, dass Archaeen Vorsprünge entwickelt haben, die Bläschen genannt werden, kleine Arme, wenn Sie so wollen. Diese ermöglichten es den Zellen, besser mit ihrer Umgebung zu interagieren. Auf ihrem Weg begegneten sie Bakterien und begannen Wege zu entwickeln, um die Energie von Bakterien zu nutzen, während sich die Bakterien noch außerhalb der Zelle befanden. Die Zellen, die dies besser taten, überlebten häufiger und reproduzierten sich, bis sie das Bakterium verschlungen hatten.

Inside-out-Modell für die Evolution der eukaryotischen Zellorganisation. Modell, das die schrittweise Entwicklung der eukaryotischen Zellorganisation von (A) einem Eozyten-Vorfahren mit einer einzigen Begrenzungsmembran und einer glykoproteinreichen Zellwand (S-Schicht) zeigt, die mit epibiotischen α-Proteobakterien (Proto-Mitochondrien) interagiert. (B) Wir stellen uns vor, dass die Eozytenzelle Vorsprünge bildet, unterstützt durch Protein-Membran-Wechselwirkungen am Vorsprungshals. Diese Vorsprünge erleichterten den Materialaustausch mit Proto-Mitochondrien. (C) Die Auswahl für eine größere Kontaktfläche zwischen den Symbionten hätte zu einer Blasenvergrößerung und dem eventuellen Verlust der S-Schicht von den Vorsprüngen geführt. (D) Bläschen wären dann durch die Entwicklung eines symmetrischen Kernporen-Außenringkomplexes (Abbildung 2) und durch die Etablierung von LINC-Komplexen weiter stabilisiert worden, die nach dem allmählichen Verlust der S-Schicht den ursprünglichen Zellkörper physikalisch verbanden (das entstehende Kernkompartiment) zu den inneren Blasenmembranen. (E) Mit der Ausdehnung der Bläschen, um die Protomitochondrien einzuschließen, ein Prozess, der den Erwerb der bakteriellen Lipidbiosynthesemaschinerie durch den Wirt erleichtert hätte, hätte sich der Ort des Zellwachstums zunehmend in das Zytoplasma verlagert, erleichtert durch die Entwicklung von geregelter Verkehr durch die Kernpore. Gleichzeitig hätten die Zwischenräume zwischen den Bläschen die allmähliche Reifung von Proteinen ermöglicht, die über den perinukleären Raum durch Glykosylierung und proteolytische Spaltung in die Umgebung abgegeben wurden. (F) Schließlich hätte die Bläschenfusion zytoplasmatische Kompartimente verbunden und die Bildung einer intakten Plasmamembran vorangetrieben, vielleicht durch einen der Phagozytose ähnlichen Prozess, bei dem ein Bläschen das Ganze umhüllte. Dieser einfache topologische Übergang hätte das endoplasmatische Retikulum von der Außenwelt isoliert, die vollständige Entwicklung eines Systems des vesikulären Transports vorangetrieben und eine strikte vertikale Übertragung von Mitochondrien etabliert, was zu einer Zelle mit moderner eukaryotischer Zellorganisation geführt hätte. Baum und Baum BMC Biology 2014 12:76 doi:10.1186/s12915-014-0076-2
Inside-out-Modell zur Evolution der eukaryotischen Zellorganisation. Das Modell zeigt die schrittweise Evolution der eukaryotischen Zellorganisation ausgehend von (A) einem Eocyten-Vorfahren mit einer einzelnen Membran und einer glykoproteinreichen Zellwand (S-Schicht), der mit epibiotischen α-Proteobakterien (Proto-Mitochondrien) interagiert. (B) Wir stellen uns vor, dass die Eocytenzelle Ausstülpungen bildet, unterstützt durch Protein-Membran-Interaktionen am Hals der Ausstülpungen. Diese Ausstülpungen ermöglichten den Stoffaustausch mit den Proto-Mitochondrien. (C) Die Selektion hin zu einer größeren Kontaktfläche zwischen den Symbionten führte zur Vergrößerung der Ausstülpungen und schließlich zum Verlust der S-Schicht. (D) Die Bläschen wurden dann durch die Entwicklung eines symmetrischen äußeren Kernporenringkomplexes (Abbildung 2) und durch die Ausbildung von LINC-Komplexen weiter stabilisiert, die nach dem allmählichen Verlust der S-Schicht den ursprünglichen Zellkörper (das entstehende Kernkompartiment) mit den inneren Bläschenmembranen physisch verbanden. (E) Mit der Ausdehnung der Bläschen, die die Proto-Mitochondrien umschlossen – ein Prozess, der die Aufnahme der bakteriellen Lipidbiosynthese-Maschinerie durch den Wirt erleichtert hätte –, hätte sich der Ort des Zellwachstums schrittweise ins Zytoplasma verlagert, was durch die Entwicklung eines regulierten Transports durch die Kernpore ermöglicht wurde. Gleichzeitig hätten die Zwischenräume zwischen den Ausstülpungen die schrittweise Reifung von Proteinen ermöglicht, die über den perinukleären Raum in die Umgebung sezerniert wurden, und zwar durch Glykosylierung und proteolytische Spaltung. (F) Schließlich hätte die Fusion der Ausstülpungen zytoplasmatische Kompartimente verbunden und die Bildung einer intakten Plasmamembran vorangetrieben, möglicherweise durch einen Prozess ähnlich der Phagozytose, bei dem eine Ausstülpung das gesamte Zytoplasma umhüllte. Dieser einfache topologische Übergang hätte das endoplasmatische Retikulum von der Außenwelt isoliert, die vollständige Entwicklung eines Systems des vesikulären Transports ermöglicht und eine strikt vertikale Übertragung der Mitochondrien etabliert, was zu einer Zelle mit moderner eukaryotischer Zellorganisation geführt hätte. (Baum und Baum, BMC Biology 2014, 12:76, doi:10.1186/s12915-014-0076-2)

Was ich mag, ist, dass es Schritte gibt, um das Bakterium in die Zelle zu bringen, anstatt Puh! es ist da und alles muss sich entwickeln jetzt an. Das ist wahrscheinlich eine unfaire Vereinfachung des Standardmodells, aber das Inside-Out-Modell macht Sinn, da jeder Schritt auf dem Weg entweder bereits vorhandenes Material zu verwenden scheint oder einen kleinen Vorteil für das Überleben an sich bringt.

Während das Ereignis vor Milliarden von Jahren unsichtbar stattfand, haben Baum und Baum einige Ideen, wie sie die Idee testen können. Genetische Daten könnten dazu beitragen, darauf hinzuweisen, dass ein Inside-Out-Modell wahrscheinlicher ist als das Standardmodell. Ihr Modell sagt voraus, dass sich einige Teile der Zelle in der entgegengesetzten Reihenfolge zum Standardmodell entwickelt haben, obwohl ich zugeben muss, dass ich die Details nicht verstehe, wie „COPII-ähnliche Coatomere leiten sich von strukturellen Komponenten der Kernpore ab und nicht umgekehrt“. Ich kann jedoch eine Liste mit klaren Vorhersagen sehen, die Baum und Baum machen, die jemand testen kann, auch wenn ich es eindeutig nicht bin.

Fossile Daten wären nett, aber höchst unwahrscheinlich, aber es gibt eine andere Vorhersage. Wenn Prokaryoten einen Vorteil erlangen können, indem sie Bläschen entwickeln, um mit Bakterien zu interagieren, dann sollte es möglich sein, einige Prokaryoten in freier Wildbahn zu sehen, die wie der erste Eukaryot aussehen, bevor er seinen Partner verschlingt.

Das Beste ist, es ist ein sehr positives Papier. Baum und Baum sagen nicht einfach, dass alle anderen falsch liegen, sie schlagen neue Forschungsthemen und neue Dinge zum Studieren vor, neue Wege, Probleme zu betrachten. Selbst wenn sich herausstellt, dass sie falsch liegen, könnten sie auf eine wirklich interessante und hilfreiche Weise falsch liegen.

Sie können das Papier über Open Access bei BMC Biology abholen.

Baum DA & Baum B. (2014). Ein Inside-Out-Ursprung für die eukaryotische Zelle,

BMC Biologie, 12

(1) 76. DOI: http://dx.doi.org/10.1186/s12915-014-0076-2