- Det ser helt vilt ut, sier Kamran Shalchian-Tabrizi fra MERG ved UiO.

- Jeg husker jeg skulle sekvensere noen av genene i en dinoflagellat – en encellet alge – til hovedfaget mitt. Men vi fikk ikke til noen ting. Ett år senere, da det såkalte kloroplast-genomet til dinoflagellaten ble publisert i Nature, skjønte vi jo hvorfor.

Kloroplast-genomet er et helt eget sett med DNA som finnes i kloroplastene – algens indre solenergiverk.

Normalt ville denne delen av DNAet sittet pent og ryddig på en stor sirkel. Men i dinoflagellaten er kloroplast-genene et kaos av små DNA-moduler fordelt på en haug med mindre sirkler.

I tillegg er selve kjernegenomet til dinoflagellatene en mosaikk, lagd av DNA-fragmenter fra en rekke ulike organismer. I dag tror forskerne at de vet hva som har skjedd.

De ørsmå algene har opp igjennom tidene kidnappet en rekke mindre skapninger, som de har rappet gener fra.

Ettertraktede kloroplaster

Alt handler om kloroplaster, forteller Shalchian-Tabrizi.

Kloroplaster er små solenergiverk som lager sukker av sollys. Inni cellene til absolutt alle planter og alger i verden, finnes det slike kloroplaster som driver med fotosyntese. De kan ses i et vanlig mikroskop, som små grønne knapper.

Opp igjennom evolusjonen har slike kloroplaster vært enormt ettertraktet: de gir jo muligheten til å skaffe energi når det ikke finnes noen annen mat. Og det gjør at mange organismer har vært villige til å gjøre hva som helst for å få tak i en.

Verdens aller første kloroplast var nettopp et resultat av slavefangst.

Den første kloroplasten

For en og en halv milliard år siden hadde de enkle cyanobakteriene allerede funnet opp fotosyntesen for lenge siden.

Men akkurat på dette tidspunktet ble en slik cyanobakterie fanget inni ei annen primitiv celle. Der inne ble bakterien forvandlet til et eget lite solenergiverk – en kloroplast.

Den primitive cella med kloroplasten var den aller første algen, som ble opphavet til så godt som alle skapninger som lever av sollys. Den dag i dag kan forskerne faktisk finne rester av den gamle cyanobakterien inni cellene til alle planter og alger.

Men kidnappingenes tid var langt fra over. Da den aller første algen var oppstått, ble det nemlig enklere for andre primitive celler å skaffe seg kloroplaster – ved å fange en alge som allerede hadde dem.

Spor etter mange organismer

De aller første algene hadde såkalte primære kloroplaster, et lite organ – en organell – som var lagd av en cyanobakterie, forklarer Shalchian-Tabrizi.

- Men disse algene ble igjen spist av andre celler, som så inkorporert hele algen som sine organeller.

Disse nye vesenene hadde dermed fått såkalte sekundære kloroplaster på innsida. Disse kloroplastene besto nå av restene av en cyanobakterie inni restene av en alge.

Denne animasjonen viser hvordan både primære, sekundære og tertiære kloroplaster har oppstått.

(Animasjon: Per Byhring) 

I dag finnes det mange små organismer som har nettopp slike sekundære kloroplaster. Og forskerne kan ennå finne spor etter både algen og bakterien inni den sekundære kloroplasten, forklarer Kjetill S. Jakobsen fra CEES ved UiO.

- Membranene som en gang utgjorde utsida til cyanobakterien og algen er nemlig delvis intakte.

- Ett av de karakteristiske kjennetegnene på sekundære kloroplaster er nettopp at de har flere membraner. To fra den opprinnelige cyanobakterien, og en eller to fra algen, sier han.

Et eksempel på organismer som har slike sekundære kloroplaster er haptofyttene – ørsmå skapninger som kan lage enorme oppblomstringer i havet.

Men historien stopper ikke en gang her.

Alge inni alge inni alge

Det finnes til og med tilfeller hvor enda større encellede vesener har fanget en haptofytt og innlemmet den som en kloroplast – altså en tertiær kloroplast. Denne kloroplasten er dermed lagd av restene av en haptofytt utenpå restene av en alge utenpå restene av en cyanobakterie.

Og slike tertiære kloroplaster finnes for eksempel hos dinoflagellatene – de encellede organismene med den snurrige mosaikken av DNA.

På denne måten kan man si at dinoflagellatene faktisk er en slags russiske dokker, med celle innenfor celle innenfor celle. Og det er nettopp levninger etter denne underlige rekka av forhistoriske kidnappinger som gjør genene deres så spesielle.

Organismene som forsvant

- Prosessen som leder til en stabil endosymbiose – altså et liv med en indre samarbeidspartner – er et typisk herre og trell-scenario, sier Jakobsen.

Han forklarer at verten etter hvert stjeler stadig flere livsviktige gener fra symbionten, - den kidnappede cella – og legger dem til i sitt eget DNA. Samtidig mister passasjeren stadig flere av egenskapene den trenger for å leve et selvstendig liv.

Med tida blir symbionten mer og mer avhengig av verten sin for å overleve, og til slutt opphører den å eksistere som et eget individ. Den er blitt til en ekte kloroplast – en organell som driver med fotosyntese inne i en annen organisme.

- Man kan ikke si at en kloroplast lever sitt eget liv, så dette er en ekstrem evolusjonær handling. Det er ingen vei tilbake, sier Jakobsen.

Arkiver over historien

Derimot er tydelige spor etter den forhenværende organismen limt inn i vertcellenes DNA. Og der har de en tendens til å bli værende.

I DNAet til dinoflagellatene finnes det for eksempel DNA fra alle organismene som har kidnappet hverandre: altså både fra haptofytten, algen og cyanobakterien.

Dessuten har forskerne også oppdaget DNA fra skapninger som ikke er der lenger. På ett eller annet tidspunkt i historien fanget dinoflagellaten antagelig en alge som den mistet igjen senere. Men DNA-restene har fortsatt å henge med i genomene.

Hva de gjør der, er ingen helt sikre på. Kanskje kan de gamle genene også brukes for å holde liv i de nye passasjerene? Eller kanskje tar det bare veldig lang tid å bli kvitt de gamle genene?

Uansett blir dinoflagellatenes gener et slags historisk arkiv over hva som har skjedd med både den og passasjerene dens opp igjennom millionene av år.

Dermed kan disse snodige organismene fortelle oss noe om hvordan livet har utviklet seg. Og kanskje om hvordan det kommer til å utvikle seg. Evolusjonen av nye skapninger og nye samarbeid ruller nemlig videre den dag i dag.

For bare noen få år siden ble det for eksempel klart at sjøsneglen Elysia chlorotica faktisk bruker kloroplaster til å skaffe seg energi, akkurat som plantene. Kanskje er den i ferd med å gjøre akkurat det haptofyttene og dinoflagellatene har gjort før den?

Blanding mellom plante og dyr

- På mange måter kan vi si at sneglen har egenskaper som er unike for både dyr og alger. Det er jo ganske vilt, og bryter med våre forestillinger om hvor forskjellige dyr og planter er, sier Shalchian-Tabrizi.

Sneglen blir grønn som et blad og kan overleve i opptil ni måneder uten mat, fordi den skaffer seg energi ved hjelp av fotosyntese.

Men dyret lager ikke sine egne kloroplaster.

- Sneglene spiser alger og klarer å ta vare på kloroplastene deres.

- Bløtdyra har til og med gener i sitt genom som stammer fra algen de spiser. Klorofyllet – det grønne fargestoffet som kloroplastene trenger – blir kodet av disse genene. Altså er det sneglen selv som produserer klorofyllet som trengs for å drive fotosyntesen, og ikke kloroplasten den har fanget.

Dette er et av de viktige skrittene i utviklinga mot å få egne kloroplaster som finnes permanent i cellene.

Kanskje var det nettopp slik de tidligere endosymbiosene begynte også?

Slike samarbeid kommer vi nok til å få vite mer om i åra som kommer.

Det er først og fremst framskrittene innenfor DNA-sekvensering og kapasiteten til å behandle dataene derfra som har gitt oss kunnskapen om hvordan celler en gang smeltet sammen.

Og denne teknologien stormer framover i dette sekund.

Det betyr at vi ikke bare kommer til å få stadig mer kunnskap om hvordan cellene – livets byggesteiner – fungerer. Vi vil også få vite mer om hvordan de, og dermed også vi, har oppstått.
 

Referanser:

T. M. Gabrielsen et al., Genome Evolution of a Tertiary Dinoflagellate Plastid, PLoS ONE 6(4), 2011.

M. A. Minge et al., A phylogenetic mosaic plastid proteome and unusual plastid-targeting signals in the greencolored dinoflagellate Lepidodinium chlorophorum, BMC Evolutionary Biology, vol 10, 2010.

K. Shalchian-Tabrizi et al., Combined Heat Shock Protein 90 and Ribosomal RNA Sequence Phylogeny Supports Multiple Replacements of Dinoflagellate Plastids, Journal of Eukaryotic Microbiology, vol 53. 2006; 217 - 224.

M. E. Rumpho, K. N. Pelletreau, A. Moustafa & D. Bhattacharya, The making of a photosynthetic animal, Journal of Experimental Biology, 15. januar 2011, vol 214, s 303-311.