Wetenschap
Insiders van het leven:endosymbiose decoderen met wiskunde
Endosymbiose, de intieme en langdurige relatie waarbij het ene organisme in het andere leeft, is een hoeksteen van het leven zoals wij dat kennen, en een sleutel tot de opkomst van complex leven op aarde. Veel van de mysteries rond endosymbiose zijn moeilijk aan te pakken met alleen empirische benaderingen.
In een recent essay gepubliceerd in PLOS Biology , beschrijft een team onderzoekers van de Universiteit van Umeå hoe wiskundige modellen het onderzoek naar endosymbiose kunnen bevorderen.
Endosymbionten zijn overal:in onze cellen genereren mitochondriën het grootste deel van onze energie, planten zijn voor fotosynthese afhankelijk van bladgroenkorrels, en veel insecten kunnen zich niet voortplanten zonder hun endosymbionten. Dit is echter nog maar het topje van de ijsberg als het om endosymbiose gaat.
"Endosymbiotische relaties zijn ongelooflijk divers en complex. Uit nieuw onderzoek is bijvoorbeeld gebleken dat endosymbionten kunnen bepalen of embryo's met succes kunnen worden gevormd, en zelfs de embryonale ontwikkeling kunnen sturen", zegt Lucas Santana Souza, postdoctoraal fellow aan de Universiteit van Umeå en co-auteur van de artikel in PLOS Biologie .
Ondanks hun alomtegenwoordigheid kunnen endosymbiosen moeilijk te bestuderen zijn.
“Denk eens aan de oorsprong van de mitochondriën in onze cellen. Vroeger was het een afzonderlijk organisme, maar door een endosymbiose die honderden miljoenen jaren geleden plaatsvond, werd het een cruciaal onderdeel van al het complexe leven. We kunnen dit oude en zeldzame gebeurtenis door deze in het laboratorium te reproduceren of terug in de tijd te gaan. We hebben andere manieren nodig en wiskundige modellen zijn een geweldig hulpmiddel", zegt Eric Libby, universitair hoofddocent bij de afdeling Wiskunde en Wiskundige Statistiek.
Wiskundige modellen kunnen ons helpen begrijpen hoe verschillende factoren de interacties tussen endosymbionten en hun gastheren beïnvloeden. In het essay laten de auteurs zien hoe deze modellen ideeën kunnen genereren en praktijkonderzoek kunnen aanvullen. Ze wijzen ook op belangrijke vragen voor verder onderzoek.
Een voorbeeld hiervan houdt verband met koralen en hun endosymbionten, wat momenteel van bijzonder belang is omdat het aantal koraalverblekingen wereldwijd toeneemt als gevolg van de toegenomen hittegolven. Bij koraalverbleking stoot het koraal zijn endosymbionten uit en verliest het zijn vermogen om voedsel te genereren, wat tot zijn dood kan leiden.
Interessant is dat koralen hun endosymbionten kunnen veranderen in endosymbionten die hun vermogen om hittegolven te weerstaan verbeteren. Dit is een van de onderzoeksgebieden waar co-auteur Adriano Bonforti, postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Umeå, het meest in geïnteresseerd is.
"De puzzel is het begrijpen wanneer koralen hun endosymbiotische gemeenschap moeten aanpassen, zodat het ene type endosymbiont dominant wordt over de andere, waardoor de reactie van het koraal op stress-effectoren verandert. Wiskundige modellen kunnen waarschijnlijke redenen aandragen voor wanneer en hoe koralen zouden moeten overschakelen. De resultaten van deze theoretische benaderingen kunnen vervolgens toekomstig experimenteel onderzoek helpen sturen", zegt hij.
De auteurs pleiten ook voor meer samenwerking tussen endosymbioseonderzoekers. Ze trekken parallellen tussen endosymbiotische relaties en de interactie tussen wiskundige modelbouwers en experimentelen. Beiden hebben een verschillende aanpak en achtergrond, maar de uitkomst van hun samenwerking kan volgens hen enorm vruchtbaar zijn.
"Beschouw modelbouwers als nuttige partners, die inspiratie putten en intrigerende vragen stellen uit de rijke empirische ontdekkingen. In deze context dragen modelbouwers bij door complexe concepten te vereenvoudigen, fundamentele processen bloot te leggen en nieuwe wegen voor onderzoek te openen. Met dit essay hopen we te bouwen een sterkere brug tussen beide velden en om vruchtbare richtingen aan te geven voor endosymbiotisch onderzoek", zegt Lucas Santana Souza.