Mijn naam is Anna Tomson. Vanaf mijn pensionering in 2017 werk ik als vrijwilliger in het laboratorium van ARTIS-Micropia. Ik heb een lange band met ARTIS. Als student biologie aan de Universiteit van Amsterdam, in de jaren zeventig van de vorige eeuw, kwam ik vrijwel dagelijks in ARTIS. Daar waren toen nog de zoölogische laboratoria en werden de colleges en practica gegeven. Ik specialiseerde me in plantenfysiologie en celbiologie en deed mijn promotieonderzoek bij de Vakgroep Moleculaire Celbiologie. Jarenlang onderzocht ik de seksuele interacties van het eencellig groenwier Chlamydomonas, en een aantal van mijn ontdekkingen zijn het onderwerp van deze blog. Ik neem je graag mee naar de fascinerende wereld van deze zwemmende groene celletjes.
De kleinste zelfstandig opererende eenheid in de natuur
De kleinste, zelfstandig opererende eenheid in de levende natuur is de cel. Een levend wezen kan bestaan uit slechts één cel, uit losjes samenhangende cellen (kolonie) of uit een ingewikkeld opgebouwd systeem van miljoenen cellen zoals hogere planten en dieren. Voor meercellige planten en dieren is het duidelijk dat het functioneren als eenheid afhankelijk is van een goede communicatie tussen de cellen die samen het organisme vormen. Bij een kwaadaardige ziekte, zoals kanker, is deze communicatie ontregeld. Dit kan leiden tot een onbeperkte groei van cellen die zich aan de normale ‘sociale cel-controle’ hebben onttrokken. Ook bij bedreigingen van buitenaf, in de afweer van infecties door schimmels, bacteriën en virussen, speelt cel-cel communicatie een essentiële rol. In dat geval tussen de cel(len) van de gastheer en die van de indringer. Een ander voorbeeld van het belang van cel-cel communicatie is bevruchting, een onmisbaar onderdeel van de seksuele voortplanting van plant en dier. Seksuele voortplanting van het eencellig groenwier Chlamydomonas bestaat uit een relatief eenvoudige vorm van bevruchting. Het leent zich daarom goed voor biologisch onderzoek. Meer inzicht in de eenvoudige vormen van cel-cel communicatie kan leiden tot een beter begrip bij ingewikkelder organismen.
Chlamydomonas: een modelsysteem voor cel-cel communicatie
De hoofdrol in de bevruchting wordt gespeeld door cellen van de twee geslachten: de gameten. Gameten worden ook wel geslachtscellen genoemd. Een gameet is een cel met als enige, maar belangrijke, functie een gameet van het andere geslacht te vinden en daarmee te versmelten. Dit vormt het begin van een nieuwe generatie van het organisme met een nieuwe, unieke combinatie van erfelijke eigenschappen afkomstig van beide ouders. In een meercellig organisme worden de gameten vaak gevormd in een speciaal geslachtsorgaan. Omdat Chlamydomonas eencellig is, en dus geen organen heeft, ontwikkelt dit groenalgje zich in zijn geheel tot een gameet.
Chlamydomonas cellen
De cellen van Chlamydomonas zijn 0,01mm groot, eivormig en omgeven door een taaie celwand. Door de celwand steken aan de voorkant twee zweepharen (flagellen) naar buiten. Hiermee beweegt de cel in ‘schoolslag’ door het water. Zolang er voldoende licht en voedsel (minerale zouten) is, groeien de cellen snel en vermenigvuldigen zich door middel van celdeling. Dit heet aseksuele of vegetatieve voortplanting. Als het voedsel opraakt wordt de cyclus van aseksuele voortplanting doorbroken en ontwikkelen de cellen zich tot gameten. Kort gezegd: als de omstandigheden goed zijn groeien de cellen voorspoedig: ze nemen flink in volume toe en delen vervolgens in twee, vier of acht identieke ‘babycellen’. Als de voorraad voedsel is uitgeput, wordt er een partner gezocht. Bij seksuele voortplanting ontstaat meer genetische diversiteit dan bij aseksuele voortplanting, en kan een soort zich beter aanpassen aan gewijzigde omstandigheden. Anders dan bij hogere organismen zijn de gameten van de twee geslachten uiterlijk niet van elkaar te onderscheiden. Daarom wordt niet gesproken van vrouwelijke en mannelijke gameten (zoals eicellen en spermacellen bij de mens), maar van ‘plus’ en ‘min’ gameten.
Levenscyclus Chlamydomonas
Seksuele communicatie en kieskeurige koppels
Bij elk bevruchtingsproces moeten gameten van het tegengesteld geslacht met elkaar in contact komen. In de wereld van de bruinwieren zijn hiervoor soms zeer verfijnde technieken ontwikkeld, bijvoorbeeld daar waar een vastzittende vrouwelijke gameet zwemmende mannelijke gameten naar zich toe weet te lokken door het uitscheiden van een specifieke lokstof. Bij Chlamydomonas blijken lokstoffen echter geen rol te spelen. Er bestaat geen soortement van Chanel voor Chlamy.
Gameten verschillen van vegetatieve cellen door de aanwezigheid van stofjes met plakkracht op de zweepharen. Deze plakkracht is heel specifiek en werkt alleen in contact met een geschikte partner-gameet. Hierdoor zijn gameten in staat om, omringd door allerlei andere organismen in het water om zich heen, gameten van het andere geslacht van hun eigen soort te herkennen en aan zich te binden. De draadvormige plak- of adhesiestoffen worden agglutininen genoemd. Het aan elkaar kleven heet agglutinatie of adhesie. Agglutinatie vindt vaak plaats tussen meerdere gameten van beide geslachten waarbij grote cel-groepen gevormd worden. Aanvankelijk zijn de contacten in zo’n groep volkomen ongeorganiseerd, maar na enige tijd treedt een sortering op en worden koppels bestaande uit een plus en een min gameet gevormd. Net als bij jongeren die op een schoolfeest in een grote groep elkaar stiekem staan te keuren voordat er vriendjes en vriendinnetjes ontstaan, kunnen algen ook eerst behoorlijk samenscholen voordat ze samen een klef paartje vormen. Bij een Chlamydomonas-koppel dat elkaar gevonden heeft wordt de celwand afgeworpen, of gedeeltelijk opgelost, waarna de cellen versmelten tot een zogeheten zygote. Zo’n zygote heeft een resistente structuur met een dikke celwand. Zodra de omstandigheden gunstig zijn zal de zygote ontkiemen in meerdere cellen, waarmee een nieuwe cyclus van vegetatieve vermeerdering begint.
Chlamydomonas in Micropia
In het laboratorium van Micropia wordt geen wetenschappelijk onderzoek gedaan zoals de hierboven beschreven ontdekkingen van Anna aan de universiteit jaren geleden. Ons lab, en vele andere kweeklaboratoria maken echter wel gretig gebruik van de resultaten. Kennis over de aseksuele en seksuele voortplanting van algen is belangrijk voor het kweken van algen. Als we bijvoorbeeld een grote kolf met algen willen kweken voor een opstelling, is het handig als de algen zich aseksueel delen en op die manier snel groeien en vermeerderen. Daarnaast weten we door onderzoek ook precies hoeveel voedsel we aan de kweken met Chlamydomonas moeten toevoegen, en hoe vaak.
Wil je nog meer weten over Chlamydomonas of andere groenalgen? Lees ook het themaverhaal over ‘ Het groene goud ’. De meeste algen ken je wellicht van groene sloten in de lente, maar er is ook een soort Chlamydomonas die in de sneeuw kan groeien. Of wil je Anna een keer in actie zien met de verschillende soorten groenalgen die ze verzorgt in het lab? Breng een bezoek aan Micropia.