Wetenschap
Onderzoek toont aan dat regenererende wormen genetische controle hebben over hun algenpartners
Veel organismen zijn veel complexer dan slechts één soort. Mensen zitten bijvoorbeeld vol met een verscheidenheid aan microben. Sommige wezens hebben echter nog meer speciale connecties.
Acoels, unieke zeewormen die hun lichaam regenereren na een verwonding, kunnen symbiotische relaties aangaan met fotosynthetische algen die in hen leven. Deze verzamelingen symbiotische organismen worden een holobiont genoemd, en de manieren waarop ze met elkaar 'praten' zijn iets dat wetenschappers proberen te begrijpen, vooral als de soort in kwestie een dier en een microbe op zonne-energie is.
Bo Wang, assistent-professor bio-ingenieur aan de Schools of Engineering and of Medicine van Stanford, is begonnen met het vinden van enkele antwoorden. Zijn laboratorium bestudeert, in samenwerking met de Universiteit van San Francisco, Convolutriloba longifissura, een soort acoel die de symbiotische alg Tetraselmis herbergt.
Dat blijkt uit nieuw onderzoek, gepubliceerd in Nature Communications ontdekten de onderzoekers dat wanneer C. longifissura regenereert, een genetische factor die deelneemt aan de regeneratie van acoel ook bepaalt hoe de algen in de algen reageren.
"We weten nog niet hoe deze soorten met elkaar praten of wat de boodschappers zijn. Maar dit toont aan dat hun genennetwerken met elkaar verbonden zijn", zegt Wang, senior auteur van het artikel.
Wormen splitsen
Omdat holobiont een relatief nieuw concept is, weten wetenschappers nog steeds niet zeker wat de aard van sommige relaties is. De vreemde naam 'acoel' is Grieks voor 'geen darm', omdat de wormen geen noemenswaardige maag hebben. In plaats daarvan gaan alle dingen die ze eten rechtstreeks naar hun interne weefsels – waar ook algen drijven en in hun lichaam fotosynthetiseren. Deze relatie zorgt voor een veilige zone voor de algen en extra energie van fotosynthese naar de acoel.
"Er was geen garantie dat er communicatie was, omdat de algen zich niet in de cellen van de acoel bevinden, maar eromheen zweven", zegt James Sikes, onderzoeker aan de Universiteit van San Francisco en co-senior auteur van het artikel. Sikes werkt al zo'n twintig jaar met acoels, en hun symbiotische relatie onderscheidt ze van andere dieren die regenereren, zoals platwormen en axolotls.
Wanneer deze acoels zich ongeslachtelijk voortplanten, delen ze zichzelf eerst in tweeën. Het hoofdgebied krijgt een staart en wordt een nieuwe acoel. De staart gedraagt zich echter als de mythologische Hydra en laat twee nieuwe koppen groeien, die zich vervolgens in twee afzonderlijke dieren splitsen.
De regeneratie van dieren vereist communicatie tussen veel verschillende celtypen, maar in dit geval kan er ook volledig een ander organisme bij betrokken zijn.
Onderzoekers waren benieuwd hoe de algenkolonies daarbinnen op dit proces reageerden – in het bijzonder of ze normaal doorgingen met fotosynthese, en zo niet, wat was daar de controle over? Dit was vooral verwarrend omdat het team ontdekte dat fotosynthese niet nodig was om acoels te laten regenereren; ze konden dit in het donker doen. Maar er moet een gesprek plaatsvinden tussen de soorten over hun overleving op de lange termijn.
"Testen of de fotosynthese werd beïnvloed was een avontuur. Niemand van ons wist wat we deden", zegt Dania Nanes Sarfati, hoofdauteur van het artikel, promovendus in Wang's laboratorium en Stanford Bio-X Bowes Fellow. "Een van de meest opwindende dingen was dat we daadwerkelijk de fotosynthese van algen in het dier konden meten."
Bovendien kon het team door middel van sequencing de genen van de twee soorten differentiëren en uitzoeken welke routes op letsel reageerden. Deze metingen hielpen hen te beseffen dat de algen binnenin tijdens de regeneratie een grote reconstructie van hun fotosynthesemachine ondergingen, maar het proces waarmee dit werd gecontroleerd was schokkend.
De rol van 'runt'
Toen de resultaten terugkwamen, zei Wang dat het onvoorspelbare gebeurde. Tijdens de regeneratie leken zowel de hergroei van de acoel als de fotosynthese van algen te worden gecontroleerd door een gemeenschappelijke transcriptiefactor in acoels die 'runt' wordt genoemd.
In het vroege stadium, direct na het letsel, wordt ‘runt’ geactiveerd, waardoor het regeneratieproces op gang komt. Ondertussen neemt de fotosynthese van algen af, maar er is sprake van een opregulatie van algengenen die verband houden met fotosynthese – waarschijnlijk ter compensatie van het verlies aan fotosynthese als gevolg van de splitsing. Toen de onderzoekers echter 'runt' neerhaalden, stopte dit zowel de regeneratie als de reacties van de algen.
Het bijzondere aan runt is dat het zeer geconserveerd is, wat betekent dat dezelfde factor verantwoordelijk is voor regeneratie in veel verschillende organismen, inclusief niet-symbiotische acoels. Maar nu is het duidelijk dat de acoel niet alleen het regeneratieve proces controleert, maar ook de communicatie met een andere soort.
Hoe holobionten communiceren
Begrijpen hoe partners in symbiotische relaties op moleculair niveau communiceren, opent veel nieuwe vragen voor dit onderzoeksgebied. "Zijn er regels voor symbiose? Bestaan ze?" zei Nanes Sarfati. "Dit onderzoek roept dit soort vragen op, die we kunnen koppelen aan andere organismen."
Wang gelooft dat het meer manieren introduceert om te onderzoeken hoe symbiotische soorten met elkaar omgaan en met elkaar paren om holobionten te vormen. Sommige van deze interacties kunnen mogelijk worden veroorzaakt door chemicaliën, eiwitten of omgevingsfactoren. Maar zorgwekkender is dat deze interacties nu kwetsbare punten worden onder de uitdaging van de klimaatverandering, waardoor symbiotische partners uit elkaar gaan.
Sikes benadrukte dat hij, Wang en Nanes Sarfati allemaal begonnen vanuit de dierlijke kant van de symbiotische relatie, maar zich realiseerden dat algen ook reageren op gastheerletsel, wat mogelijk soortgelijke vragen oproept in andere systemen.
"We gaan er vaak van uit dat we veel weten, maar we zijn nederig als we naar verschillende soorten kijken", zei Wang. "Ze kunnen dingen op totaal onverwachte manieren doen, wat de noodzaak benadrukt om meer organismen te bestuderen en wat mogelijk wordt met technologie."