Duits team herschept miljoenen jaren oud bacterie-eiwit in het lab

Het onderzoeksteam, geleid door hoogleraar Holger Sondermann, richtte zich op twee enzymen uit de familie van nucleasen: NrnC en diDNase. Beide knippen kleine moleculen kapot die bestaan uit twee aan elkaar gekoppelde bouwstenen van DNA of RNA, zogeheten dinucleotiden. NrnC kan zowel DNA- als RNA-bouwstenen verwerken, terwijl diDNase zich specifiek op DNA heeft toegelegd. De vraag die de onderzoekers wilden beantwoorden: hoe zijn deze twee gespecialiseerde varianten ooit uit elkaar gegroeid?

Eerdere pogingen om dat verschil te verklaren liepen vast. De onderzoekers probeerden gerichte mutaties aan te brengen in de bestaande eiwitten, maar de aangepaste versies werden instabiel of verloren hun functie helemaal. Daarom koos het team, met onderzoeker Sofia Mortensen als drijvende kracht achter het experimentele werk, voor een radicaal andere aanpak: in plaats van de eiwitten van nu te vergelijken, doken ze terug de evolutionaire geschiedenis in.

Een uitgestorven eiwit tot leven gewekt

Daarvoor gebruikten de onderzoekers een techniek die bekendstaat als ancestral sequence reconstruction, oftewel voorouderlijke sequentiereconstructie. Door de genetische code van verwante eiwitten uit levende bacteriën met elkaar te vergelijken en hun evolutionaire verwantschap in kaart te brengen, berekenden ze hoe de gemeenschappelijke voorouder van NrnC en diDNase er waarschijnlijk heeft uitgezien. Voor deze berekeningen werkte het team samen met het National Center for Biotechnology Information (NCBI), onderdeel van de Amerikaanse National Institutes of Health (NIH).

Vervolgens lieten de onderzoekers dit al lang verdwenen eiwit daadwerkelijk aanmaken in het laboratorium. Om de driedimensionale vorm ervan te bepalen, gebruikten ze eiwitkristallografie bij bundellijn P11 van DESY's PETRA III-röntgenbron in Hamburg. Aanvullende metingen aan de fysische eigenschappen van het eiwit vonden plaats bij het Center for Structural Systems Biology (CSSB), dat wordt beheerd door het European Molecular Biology Laboratory (EMBL).

Evolutie in kleine stapjes

De reconstructie leverde niet alleen de directe gemeenschappelijke voorouder op, maar ook een reeks tussenliggende varianten, aangeduid als Anc0 tot en met Anc3. Deze serie maakte het mogelijk om de evolutie stap voor stap te volgen. Het oudste gereconstrueerde eiwit bleek eigenschappen te bezitten die precies tussen die van de twee moderne enzymen in lagen. Vanaf dat punt splitste de evolutie zich in twee richtingen: de ene lijn specialiseerde zich steeds verder in het afbreken van DNA-moleculen, terwijl de andere juist breder inzetbaar werd en zowel DNA als RNA leerde verwerken.

De belangrijkste conclusie is dat nieuwe eiwitfuncties niet per se ontstaan door één enkele, doorslaggevende mutatie. In plaats daarvan speelt een opeenstapeling van kleine, geleidelijke veranderingen een belangrijke rol. Voor de onderzoekers is dit resultaat vooral een vertrekpunt: de precieze biologische functie van de dinucleotiden die deze enzymen afbreken, is namelijk nog grotendeels onbekend. Het team wil nu uitzoeken welke rol deze moleculen spelen in verschillende bacteriën en of de onderzochte enzymen bacteriën mogelijk helpen zich te verdedigen tegen virussen.