Oeroude eiwitten en de zesde uitstervingsgolf

De wereld heeft volgens experts te maken met een grote zesde golf van uitsterven.  De vijf golven zijn alweer miljoenen jaren geleden: de eerste uitstervingsgolf vond 443 miljoen jaar geleden plaats, waarbij een grote zeespiegeldaling als gevolg van een afkoeling plaatsvond (vorming Appalachen speelde hier waarschijnlijk een rol bij). Men noemt deze ook wel de Ordovicium/Siluur extinctie. Veel zeeorganismen als koralen en trilobieten stierven uit in deze golf. De tweede vond plaats aan het eind van het Devoon tijdperk, zo’n 359 miljoen jaar geleden. De oorzaak was waarschijnlijk een grote daling van het zuurstof gehalte in de oceanen, mogelijk veroorzaakt door vulkanisme. Ook in deze golf stierven veel zeeorganismen, zoals voorlopers van huidige weekdieren. De derde golf, die de overgang van het tijdperk Perm naar Trias markeerde, betekende het uitsterven van heel veel diersoorten. Dit is tot nu toe de grootste uitstervingsgolf geweest (Bijna al het zeeleven stierf uit en driekwart van het leven op het land). Deze golf, zo’n 251 miljoen jaar gelden, is volgens onderzoekers te wijten aan een grootschalig vrijkomen van kooldioxide, nog veel meer dan wij op dit moment in de atmosfeer brengen. De vierde golf vormde de overgang van het tijdperk Trias naar Jura – zo’n 201 miljoen jaar geleden. Ook hier speelt het vrijkomen van een mega hoeveelheid CO₂ een grote rol (als gevolg van aan het aardoppervlak vrijkomende magma). Door deze uitstervingsgolf kwamen de dinosauriërs op, die, met de inslag van een asteroïde (66 miljoen jaar geleden) massaal uitstierven en plaatsmaakten voor de zoogdieren. Deze overgang, van Krijt naar Paleogeen (bekend als de K-Pg overgang) wordt het vijfde grote uitsterven genoemd en is het meest bekend bij het grote publiek. Voor uitgebreidere informatie over uitstervingsgolven, zie bijvoorbeeld het artikel van Greshko, National Geographic, 2019 of de informatie op de website van het American Museum of Natural History. Voor een helder wetenschappelijk artikel: Barnosky, Nature 2011.

Op 20 mei komt er een artikel in iScience uit waarin een relatief recente methodiek wordt gebruikt om meer grip te krijgen op biodiversiteit. Door meer aan de weet te komen over aantallen soorten in heden en verleden kan men sterkere conclusies trekken over een mogelijk door onszelf veroorzaakte zesde uitstervingsgolf. De methode wordt palaeoproteomics genoemd en richt zich op de eiwitten in oud tot heel oud biologisch materiaal. Het is vaak erg moeilijk om aan de hand van fossiele resten te achterhalen om welke dier of plantsoort het gaat. De materialen zijn vaak beschadigd, niet intact of grotendeels versteend. En DNA isoleren is vaak niet meer mogelijk, omdat DNA afbreekt en na zo’n anderhalf miljoen jaar helemaal niet meer te analyseren valt. In het artikel van Peters en collega’s wordt de methode ‘conservation palaeoproteomics’ genoemd en worden de mogelijkheden nagegaan om met deze methode meer grip te krijgen op bijvoorbeeld invasieve soorten, illegale handel in flora of fauna, biogeografie van soorten en de invloed van mensen op de aanwezige flora en fauna. De auteurs verwachten dat op veel gebieden de methode een centrale plaats zal krijgen. Denk dan bijvoorbeeld ook aan archeologie, waarbij dierlijke materialen in bijvoorbeeld verf of melkresten kunnen worden geanalyseerd. Bij Naturalis in Leiden hebben we ook met palaeoproteomics gewerkt om onderzoek te doen naar de uitgestorven dodo en de reuzenalk – die ooit ook in Nederland voorkwam. We konden de soorten identificeren en verwantschap met andere vogelsoorten bepalen.

Eiwitten zijn dus beter bestand tegen de tand des tijds. Dat komt niet zozeer doordat deze moleculen sterker zijn, maar door de omgeving waarin ze zich bevinden op het moment dat een organisme fossiliseert. Denk aan bot of tandmateriaal, waar de structuur zorgt voor bescherming. En heel erg lang: er zijn onderzoeken bekend waarin men 195 miljoen jaar oude eiwitten bekeek. Al blijft de vraag of de materialen niet verontreinigd zijn met eiwit van recentere datum. In ieder geval weten we nu al dat we veel verder kunnen kijken dan de 1,5 miljoen jaar die DNA ons toelaat!

Hoe doen we dat? De eerste “palaeobiochemische” onderzoeken werden in 1957 beschreven door de Amerikaanse natuurkundige Philip Abelson (ontdekker van een van de elementen en deelnemer aan het Manhattanproject). In die tijd werden aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, gescheiden door middel van papier chromatografie. Abelson beschreef de aanwezigheid van onder andere aminozuren in fossiele resten. Door de aanzuigende werking van papier kunnen moleculen op papieren filters van elkaar op grootte gescheiden worden (bij een juist gebruik van bepaalde oplossingen waar de aminozuren zich in bevinden). Tegenwoordig gaat het analyseren heel anders: we meten alle atomen (eigenlijk alle atomaire massa’s) in de moleculen die we in een preparaat hebben en vergelijken de gegevens met een zeer grote database. De methode die hier het meest wordt toegepast is massa spectrometrie. Bij palaeoproteomics, ofwel het kijken naar alle aanwezige eiwitten (‘het proteoom’) in zeer oud materiaal (‘palaeo’), meten we dus met een massa spectrometer welke atomen aanwezig zijn. En wel door exact de massa’s te bepalen. We weten dus precies welk molecuul we hebben in een preparaat - na identificatie met behulp van een database (zie ook figuur 1 uit het artikel van Peters). En omdat databases in de biologie exponentieel groeien - het gebied van de ‘big data’ - kunnen we ook steeds meer vergelijken. Deze methode is echter niet de enige; onderzoekers maken ook gebruik van ingewikkelde spectroscopie met meestal ingewikkelde lange namen. Bijvoorbeeld in situ Synchotron FTIR microspectroscopie. Dat is een methode waarbij je op de plaats (‘in situ’, dus zonder eerst moleculen te isoleren in een lab), met behulp van infrarood licht een monster analyseert. De synchotron toevoeging (een deeltjesversneller), zorgt ervoor dat de spectroscopie nog betere plaatjes met hogere resolutie geeft. Eigenlijk scan je een monster af met deze apparatuur en bepaal je direct welke moleculen aanwezig zijn. Je kijkt, chemisch gesproken, naar de bindingen tussen atomen: bij het bestralen met infrarood gaan deze op een manier trillen die karakteristiek is voor de aanwezige binding. De methode wordt ook veel gebruikt in biomedisch onderzoek om bijvoorbeeld kankercellen van gewone cellen te onderscheiden. Tot slot wordt ook gebruik gemaakt van antistoffen. Dat zijn onze “afweer-eiwitten” die ook heel veel in biologische en biomedische research gebruikt worden. Zo zijn er antistoffen die specifiek binden aan eiwitten in botweefsel. Door een kleurstofje te hangen aan de antistof kun je dan in een monster het eiwit zichtbaar maken.

Meer informatie:

Peters, 2022, https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104195

A.D. Barnosky, 2011, https://doi.org/10.1038/nature09678

https://www.nationalgeographic.com/science/article/mass-extinction

https://www.amnh.org/exhibitions/dinosaurs-ancient-fossils/extinction/mass-extinction
I.R. Horn, 2019, https://doi.org/10.1093/zoolinnean/zlz012

P.H. Abelson, 1955, Some aspects of paleobiochemistry. Annals of the New York Academy of Sciences.

Y-C. Lee, 2017, http://dx.doi.org/10.1038/ncomms14220