Da livet lærte at gå i takt

Danske forskere får gærceller til at svinge i takt ­ og giver samtidigt nye bud på, hvordan flercellede organismer kunne opstå for mange millioner år siden

Af Robin Engelhardt

Prøv at tænke tilbage til dengang du kun var en enkel lille celle. Du lå dér som en lille bitte urcelle, frisk befrugtet, og havde alt i dig. Med dirrende livsmod og en uovervindelig energi lå du i din moders mave og var parat til at dele dig i millioner af forskellige celler, til kropsceller, hjerneceller og alle mulige andre celler, for snart at kunne leve det liv, der var skænket dig som gave.

Prøv nu tænke på noget næsten lige så umuligt: Tænk tilbage på livet for cirka 600 millioner år siden, ja måske for hele 1000 millioner år siden. Dengang fandtes der også celler, og de havde ligesom vores celler en kerne. Men de kunne endnu ikke finde ud af at samarbejde. Dengang fandtes der kun encellede organismer. De måtte prøve at overleve uden hverken munde, hjerne eller fødder, for der var endnu ingen celler, som havde specialiseret sig til at være munde, hjerner eller fødder. Organismerne var faktisk ret begrænsede i deres udfoldelsesmuligheder, og de levede derfor primært i havet, i underjordiske kilder og tæt ved næringsrige pytter.   Den historie, man kan gisne om nu, er, at den afgørende kilde for at flercellede organismer overhovedet kunne opstå, skyldes et bestemt fysisk fænomen, og det fænomen hedder en Hopf-bifurkation.

Ja, det lyder måske ikke videre besnærende, da en Hopf-bifurkation teknisk set blot er en matematisk definition på en overgang af et dynamiske system, der begynder at svinge i tid. Men det afgørende ved hele sagen er, at simple kemiske stoffer som typisk findes i celler, kan kobles, således at cellerne kan kommunikere med hinanden på lange afstande. Hvis det ikke havde været muligt for de enkelte celler for 600-1000 millioner år siden at lære at 'tale' med nabocellerne i en uendelig kaskade af kemisk veltunede budskaber, ville livet her på kloden måske stadig begrænse sig til bakterier.

Aktive gærceller
I en artikel i den aktuelle udgave af fagbladet Nature har Sune Danø, Preben Graae Sørensen og Finn Hynne fra H.C. Ørsted Instituttets Kemiske Laboratorium III på Københavns Universitet beskrevet, hvordan gærceller kan udvikle synkron adfærd i situationer, hvor en opløsning af gærceller holdes naturligt i live ved en konstant tilførsel af nye næringsstoffer.

Svingningerne kan ses, når gæren omsætter sukker uden brug af ilt. Selvom gærceller normalt lever uafhængigt af hinanden, ses det, at de synkroniserer deres svingninger med hinanden. Teknikken hedder Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), og går ud på at bibeholde det undersøgte systems naturlige balance gennem en evig og konstant tilførsel af de relevante substanser.   »Udgangspunktet for vores eksperimenter var at beskrive biologiske systemer ud fra et helhed, så man kunne fange deres dynamik, og ikke kun de enkelte komponenter,« siger Sune Danø.

»Pointen med CSTR er, at man kan låse cellerne i deres aktive tilstand, hvorefter man kan sammenligne dem med hinanden. De svingninger vi ser, opstår som et fælles dynamisk karakteristika, der er stabilt i mange situationer. De stoffer, der viser sig at svinge synkront, er nogle helt almindelige næringsstoffer såsom sukker og acetaldehyd.«   Den interessante biokemi foregår ifølge Sune Danø i de levende celler, og ikke i forfaldsprocesserne af halvdøde celler, som man har taget ud af deres naturlige sammenhænge. Håbet er derfor, at man kan kombinere den nye viden man kan få fra CSTR-undersøgelserne med den allerede kendte biokemi og sammenligne resultaterne.

I det større perspektiv kan undersøgelserne vise, hvorvidt den generelle dynamik, som her er blevet opdaget og er karakteriseret som en Hopf-bifurkation, er en forudsætningen for at de encellede organismer lærer at samarbejde. »Det er svært at sige noget konkret om, hvordan det hele startede. Det bliver lidt gætteri, men vi kan sige nu, at synkroniseringen kan formidles af helt almindelig stoffer, som findes i cellerne i forvejen,« siger Danø. Og med hensyn til gærceller, er det simpel sukker, der er budbringeren: »Det viser sig at glukolysen ikke blot er noget den enkelte celle har brugt til at nedbryde sukker, men også noget den ovenikøbet kan bruge som en kollektiv form for synkronisering.«

Mangeartede mønstre
Man ved, at andre encellede organismer, såsom E. coli bakterien, også kan danne mønstre. James A. Shapiro fra University of Chicago har i sine forsøg sat genetiske markører ind i generne på E. coli for at visualisere om bakterierne udviklede forskelle genetiske aktiviteter hvis de blev sat sammen. Til hans store overraskelse så han ikke kun bakterierne udvikle en genetisk differentieret biokemi, men også helt enestående rummelige mønstre, som nærmest så ud som blomster.

Bakterier kan altså ligesom gærceller vælge at samarbejde som en slags flercellet organisme, hvis omgivelserne kræver det.   Også andre encellede organismer som f.eks. amøber, slimsvampe (Dictyostelium discoideum) og visse grønne alger (Acetabularia acetabulum) kan danne komplicerede tredimensionale mønstre selvom de kun består af en enkel celle. Det store spørgsmålet er derfor, om ikke alle disse synkroniseringer og morfologiske ændringer finder deres udgangspunkt i, at kemikalierne kan opretholde dynamikken gennem det, man matematisk kalder en Hopf-bifurkation.

Kambrisk eksplosion
I det øjeblik, hvor det er blevet muligt for cellerne at kommunikerer gennem de ekstra-cellulære stoffer, kan de derefter udvikle mere sofistikerede mekanismer til arbejdsdelingen. Mangeartede substanser kan transporteres langs en koncentrationsgradient, generne kan aktiveres forskelligt alt efter hvor de befinder sig i kolonien, og efterhånden vil den naturlige udvælgelse måske kunne opbygge reelle flercellede strukturer. I evolutionshistorien kalder man overgangen fra encellede til flercellede organismer for den kambriske eksplosion.

De fossiler, palæontologerne har fundet i sedimentaflejringerne rundt omkring i verden er op til 580 millioner år gamle, og derfor sætter man normalt grænsen dér. Men problemet er, at bløddyr som regel ikke efterlader fossiler, idet de ikke har nogen faste skeletter eller skaller. Derfor er det meget sandsynligt, at der fandtes flercellede organismer lang tid før den kambriske eksplosion. Ifølge den tyske geolog Adolph Seilacher fra universitetet i Tübingen fandtes der allerede ormelignende dyr for over én milliard år siden. Han mener at have fundet nogle såkaldte sporfossiler, som altså ikke er ægte forsteninger, men aftryk i forsteninger ­ en slags aftryk af kroppen. Også molekylære studier har vist, at den genetiske basis for flercellede organismer har eksisteret i cirka en milliard år.

Celledifferentiering
Den først biolog, der tænke grundigt over gener og deres aktivitet var August Weismann. Han indså i slutningen af sidste århundrede, at celledifferentiering kunne foregå på to måder: Enten måtte cellerne i løbet af udviklingen fra en embryo til en voksen krop dele sig sådan, at kun nogle af generne videregives til dattercellerne. Dvs. at kun de gener, som bruges af hjernen videregives til hjernecellerne, og kun de gener der bruges til leveren, videregives til levercellerne, osv. Kønscellerne derimod, som skal sørge for videre afkom, er de eneste som bibeholder hele det genetiske materiale.

Men Weismann vidste, at der fandtes et alternativ: Alle gener nedarves til alle celler, ligegyldigt om de er hudceller eller blodceller, men til gengæld aktiveres kun de nødvendige gener i hver af cellerne. For at det skulle kunne lade sig gøre, måtte der findes en eller anden form for kontrol udenfor cellerne. Der måtte være nogle mekanismer som kunne fortælle cellerne, hvad der skulle ske hvor. Da Weismann ikke kunne forestille sig en så kompliceret epi-genetisk kontrol, som det ville kræve, forkastede han dette andet alternativ. Men i dag ved man, at det andet alternativ er det rigtige.

Alle kroppens celler indeholder alt DNA. Men det er kun visse dele af generne, der er aktive i en given celle. De sekundære mekanismer som koordinerer, transporterer og kontrollerer er derfor mindst lige så vigtige for at de enormt mangeartede og komplicerede flercellede organismer kan virke. Og undersøgelserne af gærcellerne i på H.C. Ørsted Instituttet antyder, at hele denne komplekse evolutionære proces måske startede med simple koncetrationssvingninger af bestemte stoffer cellerne imellem.



Referencer:
Sustained oscillations in living cells, Sune Danø, Preben Graae Sørensen og Finn Hynne, Nature, vol. 402, no. 6759, s. 320-322.
Bacteria as Multicellular Organisms, ed. J.A. Shapiro & M. Dworkin, Oxford Univ. Press, 1997.

0 comments:

There was an error in this gadget