Op zoek naar de stamboom van het leven

Een familiestamboom is niet ingewikkeld om te maken: opa en oma bovenin, daaronder de kinderen met hun partners, en weer daaronder de kleinkinderen. Je kunt ‘m ook uitbreiden met overgrootouders en betovergrootouders. Met wat graafwerk door archieven kun je zelfs teruggaan tot voorouders in de zeventiende eeuw.

Zou je de familiestamboom nog veel verder terugtrekken, dan kom je uiteindelijk uit bij de eerste mens, vervolgens bij onze aapachtige voorouder en uiteindelijk zelfs bij een eencellige. Al in de negentiende eeuw schetste bioloog Charles Darwin een stamboom van het leven, bestaande uit enkele lijntjes. Tegenwoordig proberen wetenschappers de stamboom uit te breiden met alle levende wezens op aarde. Maar dat is een hele puzzel. Hoe maak je zo’n stamboom van al het leven op aarde?

DNA vergelijken

Een belangrijk puzzelstuk bij het maken van de stamboom van het leven is de genetische informatie van levende wezens, ofwel organismen. Ieder wezen op aarde bevat DNA, dat bepaalt hoe het organisme eruitziet en hoe het draaiende wordt gehouden. Hoe groter de verwantschap tussen twee organismen, hoe meer hun DNA op elkaar lijkt. Dat geldt ook voor mensen: jouw DNA heeft meer overeenkomsten met dat van je moeder dan met het DNA van de buurvrouw.

Aan de hand van DNA en eiwitten (de bouwstenen van het leven) achterhalen wetenschappers welke organismen verwant zijn aan elkaar. “We gebruiken bepaalde stukken DNA of eiwit die in alle organismen voorkomen, bijvoorbeeld de stukjes die zorgen dat cellen zich op de goede manier delen”, vertelt Sumanth Mutte, bio-informaticus bij de Wageningen Universiteit. De cellen van vrijwel alle organismen delen zich op dezelfde manier. Het DNA of de eiwitten die daarbij een rol spelen, schrijven biologen uit in letters. Vervolgens vergelijken ze die letters van verschillende organismen met elkaar om zo naar overeenkomsten en verschillen te speuren.

• Het was een zonnige dag, dus ik ging lekker op het gras zitten met mijn vriend.
• Hij had een zonnige lach, dus ik ging lekker het gras omspitten met mijn vriendin.
• Het was een zooitje, dus ging ik maar op het as zitten met mijn vriend.
• Het was een zooiige dag, dus ik ging op het gras zitten met mijn vriend.
• Het was een zonnige dag, dus ik ging lekker het gras spitten met mijn vriend.
• Het was een zonnige dag, dus ik ging lekker op het terras zitten met mijn vrienden.

De zinnen lijken op elkaar, maar zijn steeds net wat anders. Met een beetje puzzelwerk op basis van de woorden kun je achterhalen welke de eerste zin was en welke daaruit volgden:

Wetenschappers achterhalen op een vergelijkbare manier hoe de DNA-code veranderde in de geschiedenis en bouwen zo een boom van het leven. Gelukkig hoeven ze die puzzel niet met de hand op te lossen: computers berekenen precies welke stukken DNA meer op elkaar lijken dan andere.

Op dit moment is het DNA van bijna een half miljoen organismen ontcijferd. Dat klinkt indrukwekkend, maar dat betekent ook dat we het DNA van het grootste gedeelte van alle organismen nog niet kennen. “Gelukkig hoeven we niet het volledige DNA te weten om te achterhalen hoe verwant soorten zijn”, vertelt Berend Snel, bio-informaticus aan de Universiteit Utrecht. “Soms is een klein stukje al voldoende.” Denk aan het spel ‘telefoontje’: als je alleen toegang had tot de woorden en afleidingen van ‘zonnige’ en ‘terras’, dan was je ook een eind gekomen met de puzzel.

En hoe zit nu met die organismen waar we geen enkel stukje DNA van kennen? “Dan moeten we terugvallen op uiterlijke kenmerken”, zegt Snel. Wetenschappers groeperen dan soorten die bepaalde kenmerken delen, zoals organismen met een lichaamsholte, vleugels of een skelet. “Soms lezen we dan binnen die groepen toch nog kleine stukjes DNA uit om te achterhalen hoe het echt zit”, aldus Snel.

Frankenstein

Eiwitten, DNA, uiterlijke kenmerken; hoe maak je met die verschillende onderdelen één gigantische familieboom? Juist omdat de boom zo groot is, bouwen wetenschappers hem niet in één keer of met een enkele methode, maar stukje bij beetje. “Het is eigenlijk een Frankenstein-boom”, zegt Snel. Een deel van de boom is geknutseld aan de hand van eiwitten, waarna wetenschappers er een nieuw stuk aanplakken dat ze hebben opgelost met de DNA-code. Weer een ander stuk van de boom gaven ze vorm gebaseerd op uiterlijke kenmerken.

De methode die wetenschappers kiezen, hangt niet alleen af van of er DNA beschikbaar is, maar ook van de verwantschap. Een bacterie en een aap verschillen zo veel van elkaar dat ze maar kleine stukjes DNA gemeenschappelijk hebben. Bovendien verschillen die stukjes ook nog eens enorm van elkaar. “We vergelijken dan een eiwit dat ze beide hebben, zoals de eerder genoemde essentiële bouwsteen voor celdeling”, zegt Mutte. “Die lijken meer op elkaar dan twee stukjes DNA.” Richten ze zich op de groep apen, dan zijn er veel meer overeenkomsten in het DNA en kunnen ze zich veel meer op details richten. Binnen zo’n groep vergelijken ze daarom meer en ander DNA.

Betere gewassen en medicijnen

De boom van het leven tekenen is dus een flinke klus. Het resultaat is een hoop lijntjes. “De boom zelf is behoorlijk saai”, zegt Snel. “Maar zodra je hem decoreert, wordt hij leuk – net als een kerstboom.” Wanneer wetenschappers informatie toevoegen aan al die lijntjes, kunnen ze er kennis uit afleiden. Ze labelen soorten of grotere groepen, zoals insecten. Op die manier ontdekten bio-informatici nog niet zo lang geleden de voorouder van de eukaryoten, een grote groep organismen waaronder mensen vallen, maar ook andere dieren, planten en schimmels. “Hoe die eukaryoten ooit zijn ontstaan, was een groot mysterie”, vertelt Snel. Nu weten ze dat simpele eencellige organismen genaamd Asgard archaea de voorouders waren. “Dat wisten we tien jaar geleden nog niet”.

Kennis over voorouders stelt wetenschappers ook in staat om gewassen te optimaliseren. Zo leefde een voorouder van planten in een warmere tijd waarbij de concentratie CO₂ in de lucht redelijk hoog was, en die paste zijn fotosynthese daarop aan. Die omstandigheden lijken op wat we nu gaan ervaren door klimaatverandering. Met de stamboom van het leven en de genetische informatie hebben wetenschappers achterhaald hoe een belangrijk eiwit voor fotosynthese er in die voorouder uitzag. Ze plaatsen dat in hedendaagse gewassen om ze klaar te maken voor de toekomst.

Ook heeft de stamboom van het leven geleid tot de ontdekking van nieuwe geneesmiddelen, zoals het kankermedicijn Taxol. Een bioloog ontdekte dat stofje oorspronkelijk in een plant, maar die kwam maar op enkele plekken op de wereld voor. Met een stamboom van het leven vonden wetenschappers het meer voorkomende neefje van die plant, dat dezelfde werkzame stof bleek te produceren. Zo konden ze op grote schaal het kankermedicijn maken. Tegenwoordig wordt het stofje overigens synthetisch geproduceerd.