Looking for ‘LUCA’ and the timing of cellular evolution

~ For Dutch, scroll down ~

Dating the root

This new dating of the primordial form of all life is not dramatically different from previous estimates. “Dating gets increasingly uncertain towards the root of the tree of life”, co-corresponding author Tom Williams of the University of Bristol explains. One of the real surprises of this research by Mahendrarajah and colleagues are further up the tree of life. "Archaea are often called ancient bacteria," says Spang. "That would suggest that they stem from an ancestor that is older than the one of today's bacteria. But with this improved dating approach, we see that the ancestor of all current archaea lived between 3.37 and 3.95 billion years ago (Figure 1). This makes the last common ancestor of known archaea younger than the one of all bacteria, which lived between 4.05 and 4.49 billion years back (Figure 1). This suggests that earlier archaea either died out, or they live somewhere hidden on Earth where we have not found them yet,” Spang hypothesizes.

We are fusions

The eukaryotes, meaning cells with a nucleus, such as all plants and animals, had their last common ancestor between 1.84 to 1.93 billion years back (Figure 1). Tara Mahendrarajah explains: "If you imagine all life on earth as a family tree, LUCA is at the base and at some point, the trunk splits into a bacterial and an archaeal branch. But eukaryotes are not a separate branch on this tree of life, but rather a fusion of two branches that came out of the bacterial and the archaeal branches. We have a bit of both in us.”

Understanding natural history

“Our new estimates for the age of the archaeal and bacterial ancestors of eukaryotes will help to improve our models on eukaryotic origins”, Edmund Moody of the Universit of Bristol adds. “This new way of viewing the tree of life helps us track how cells have evolved over time on Earth. It also gives us a foundation to figure out what those early microbes did in their old environments and how their evolution is linked to natural history.”

Spang further points out: “Insights into the role of both ancient and extant microbes in nutrient cycling can help to better understand and predict future biodiversification in a changing environment, including climate warming”.

Op zoek naar 'LUCA' en de evolutie van cellulair leven

LUCA, de 'Last Universal Common Ancestor', ofwel de universele voorouder van al het leven op aarde, leefde 4,32 tot hooguit 4,52 miljard jaar geleden. Dit blijkt uit een onderzoek van NIOZ-biologen Tara Mahendrarajah en Anja Spang, in samenwerking met collega’s van universiteiten in Bristol, Hongarije en Tokio. Hun onderzoek werd vandaag gepubliceerd in Nature Communications. Hoe deze LUCA er precies uitzag is onbekend, maar het moet een cel zijn geweest met ribosomale eiwitten en een ATP-synthase. "Dat zijn eiwitten die alle bacteriën, archaea en eukaryoten zoals planten en dieren gemeen hebben", zegt Spang. Met behulp van een nieuwe benadering voor moleculaire datering van deze eiwitten, konden de onderzoekers nauwkeuriger het moment schatten waarop LUCA zich opsplitste in bacteriën en archaea, en ook het moment waarop eukaryoten ontstonden.

De wortel van de stamboom

Deze nieuwe datering van de oervorm van al het leven verschilt niet dramatisch van eerdere schattingen. "Datering worden immers steeds onzekerder als je dichter bij de wortel van de stamboom van het leven komt", legt co-auteur Tom Williams van de Universiteit van Bristol uit. Een van de échte verrassingen van het onderzoek van Mahendrarajah en collega's bevinden zich hoger op de stam.

"Archaea worden vaak oerbacteriën genoemd," zegt Spang. "Dat zou suggereren dat ze afstammen van een voorouder die ouder is dan die van de huidige bacteriën. Maar met deze verbeterde dateringsmethode zien we dat de voorouder van alle huidige archaea tussen 3,37 en 3,95 miljard jaar geleden leefde (Figure 1). Dit maakt die laatste gemeenschappelijke voorouder van bekende archaea jónger dan die van alle bacteriën, die tussen 4,05 en 4,49 miljard jaar geleden leefde (Figure 1). Dit suggereert dat eerdere archaea na het afsplitsen van LUCA ofwel uitstierven, ofwel ergens verborgen op aarde leven waar we ze nog niet hebben gevonden," veronderstelt Spang.

Wij zijn een mix

De eukaryoten (cellen met een kern), zoals alle planten en dieren, hadden hun laatste gemeenschappelijke voorouder tussen 1,84 en 1,93 miljard jaar geleden (Figure 1). “Maar dat was geen simpele afsplitsing in de stamboom van het leven”, legt Tara Mahendrarajah uit. "Met LUCA aan de basis, splitst de stamboom zich in een bacteriële en een archeale tak. De eukaryoten ontstonden als een samensmelting van twee takken die afsplitsten van de bacteriële en de archeale tak. Ook wij hebben dus een beetje bacterie en een beetje archaea in ons."

De natuurlijke geschiedenis begrijpen

"Onze nieuwe schattingen voor de leeftijd van de archeale en bacteriële voorouders van eukaryoten helpen om de modellen over de oorsprong van eukaryoten te verbeteren", zegt Edmund Moody van de Universiteit van Bristol. "Deze nieuwe stamboom van het leven is ook een goed startpunt om uit te zoeken wat die vroege microben deden in hun oude omgevingen en hoe hun evolutie de natuurlijke geschiedenis heeft beïnvloed."

Spang voegt toe: "Dit soort inzichten in de rol van zowel oude als bestaande microben in cyclus van nutriënten op aarde, kunnen ook helpen om toekomstige ontwikkelingen in het leven in een veranderende omgeving beter te begrijpen, zoals het leven in een steeds warmer klimaat."