Aan Tom Santangelo, eencellige micro-organismen genaamd archaea zijn als oude zeelieden, overleven onder de meest extreme omstandigheden op aarde, inclusief vulkanische openingen in de diepe oceaan.

De onderzoeker van de Colorado State University bestudeert hoe deze winterharde microben - die een van de drie overgebleven levensdomeinen vormen - hun genen tot expressie brengen, hun energie produceren, en gedijen in hete, lichtloze omgevingen.

Het blijkt, we zijn niet zo verschillend - biochemisch, hoe dan ook - van archaea tenslotte.

Santangelo, universitair hoofddocent bij de vakgroep Biochemie en Moleculaire Biologie, zat in een team dat opvallende parallellen vond tussen hoe archaeale cellen en meer complexe cellen, inclusief mensen en dieren', hun genetisch materiaal verpakken en opslaan. De doorbraakstudie, eerder dit jaar gepubliceerd in Science, leverde bewijs dat archaea en eukaryote cellen een gemeenschappelijk mechanisme delen om te verdichten, hun genomen te ordenen en te structureren.

De studie werd geleid door Karolin Luger, nu een structurele bioloog aan de Universiteit van Colorado Boulder. De meeste resultaten gerapporteerd in Science werden voltooid terwijl Luger een CSU-faculteitslid was, van 1999 tot 2015.

DNA, histonen, nucleosomen, chromatine

Een klein biologieoverzicht op de middelbare school:eukaryoten zijn cellen met een kern en membraangebonden organellen, en ze omvatten schimmel, plantaardige en dierlijke – inclusief menselijke – cellen. Ze onderscheiden zich van hun minder complexe tegenhangers, prokaryoten, door de afwezigheid van een kern. Terwijl archaea en bacteriën beide prokaryoten zijn, ze zijn slechts in de verte verwant. Archaea zijn de waarschijnlijke voorouders van eukaryoten en delen veel van dezelfde eiwitten die de genexpressie regelen.

Een van de meest fundamentele processen in het leven – de mechanica waardoor DNA buigt, vouwt en propt zichzelf in een celkern - komt voor bij alle eukaryoten, van microscopisch kleine protisten tot planten tot mensen.

In de kern van elke eukaryote cel zit enkele meters genetisch materiaal dat op een heel specifieke manier is samengeperst. Kleine stukjes DNA zijn ingepakt, als draad om een ​​spoel, ongeveer twee keer ongeveer acht kleine eiwitten die histonen worden genoemd. Dit hele DNA-histoncomplex wordt een nucleosoom genoemd, en een reeks verdichte nucleosomen wordt chromatine genoemd. In 1997, Luger en collega's rapporteerden eerst de exacte structuur van eukaryote nucleosomen via röntgenkristallografie.

'Gnarly' kristallografie

Wetenschappelijk medewerker John Reeve had in de jaren negentig ontdekt dat histon-eiwitten niet beperkt waren tot eukaryoten, maar werden ook gevonden in celkernvrije archaea-cellen. Reeves en Luger begonnen een samenwerking om op histonen gebaseerd archaeaal chromatine te kristalliseren en die structuur te vergelijken met eukaryoot chromatine.

Na jaren van stoppen en starten en problemen met het kweken van betrouwbare archaeale histonkristallen - Luger noemde het een "knoestig kristallografisch probleem" - slaagden de wetenschappers erin de structuur van archaea-chromatine op te lossen, het onthullen van zijn structurele gelijkenis met eukaryoten.

'Biologisch zinvolle' structuur

In de gegevens, het archaeale DNA leek lang te vormen, golvend, herhalende superhelices. De onderzoekers wisten niet zeker of de structuur echt was, of een artefact van het experiment. Dat is waar het team van Santagelo bij CSU belangrijke expertise leverde.

"Mijn groep ging de uitdaging aan om te bepalen of de structuur opgelost in de kristallen een biologisch betekenisvolle structuur vertegenwoordigde, " hij zei.

Het team van Santangelo maakte varianten van de archaeale histonen en testte hoe de cellen het deden, omdat ze de DNA-superhelix verstoorden. Ze ontdekten dat hoe meer ze de structuur destabiliseerden, hoe zieker de cellen werden. Hun inspanningen onderstreepten de verdiensten van de structuur die de groep van Luger had bepaald.

Deel uitmaken van een team dat zo'n fundamenteel inzicht verschafte als de voorouders van onze cellen, was een van de meest lonende momenten in Santangelo's carrière.

"De grote impact van het papier, I denk, is dat het idee om DNA in die structuren te comprimeren een heel oud idee is - waarschijnlijk meer dan 1 miljard jaar oud, "Zei Santangelo. "Histone-eiwitten kwamen op het toneel, en toen ze eenmaal begonnen waren met het verpakken van genomen, ze maakten zichzelf grotendeels onmisbaar voor de cellen die ze codeerden."

Santangelo zal studies blijven doen naar de structuur, functie en energietransacties van archaea - die oude zeelieden die nu definitief een voorouderlijk prototype van menselijke cellulaire activiteit vertegenwoordigen.