Hoe deze zeeworm maanglow van zonnestralen kan onderscheiden | Quanta-tijdschrift

Op een zomeravond in de baai van Napels zwommen hordes wormen onder het licht van een afnemende maan vanuit het zeegras naar het wateroppervlak. Niet lang daarvoor begonnen de wezens aan een gruwelijke seksuele metamorfose: hun spijsverteringssysteem verdorde en hun zwemspieren groeiden, terwijl hun lichamen zich vulden met eieren of sperma. De vingerlengte wezens, nu niet veel meer dan gespierde zakken met geslachtscellen, fladderden in koor naar de oppervlakte en draaiden gedurende een paar uur om elkaar heen in een uitzinnige huwelijksdans. Ze lieten talloze eieren en sperma vrij in de baai – en toen eindigde de maanverlichte wals in de dood van de wormen.

De zeeborstelworm Platynereis dumerili krijgt maar één kans om te paren, dus de laatste dans kan maar beter geen solo zijn. Om ervoor te zorgen dat veel wormen tegelijkertijd samenkomen, synchroniseert de soort zijn reproductieve timing met de cycli van de maan.

Hoe kan een onderzeese worm zien wanneer de maan op zijn helderst is? Het antwoord van de evolutie is een nauwkeurige hemelklok die wordt opgewonden door een molecuul dat maanstralen kan waarnemen en het voortplantingsleven van de wormen kan synchroniseren met de maanfasen.

Niemand had ooit gezien hoe een van deze maanlichtmoleculen werkte. Recentelijk blijkt echter uit een onderzoek gepubliceerd in Nature Communications, onderzoekers in Duitsland de verschillende structuren bepaald dat zo'n eiwit in borstelwormen duisternis en zonlicht opneemt. Ze ontdekten ook biochemische details die helpen verklaren hoe het eiwit onderscheid maakt tussen helderdere zonnestralen en zachtere maangloed.

Het is de eerste keer dat wetenschappers de moleculaire structuur hebben bepaald van welk eiwit dan ook dat verantwoordelijk is voor het synchroniseren van een biologische klok met de fasen van de maan. “Ik ken geen ander systeem waar met deze mate van verfijning naar is gekeken”, aldus de biochemicus. Brian Kraan van Cornell University, die niet betrokken was bij de nieuwe studie.

Dergelijke ontdekkingen kunnen relevant zijn voor de fysiologie van vele soorten wezens, inclusief mensen. “We hebben geen ander voorbeeld waarin we deze mechanismen zo moleculair gedetailleerd begrijpen”, zegt hij Eva Wolf, een biochemicus aan de Johannes Gutenberg Universiteit van Mainz in Duitsland, die een van de co-auteurs van het artikel is. “Deze onderzoeken helpen ons te begrijpen hoe maanlichtoscillatoren en synchronisatie met de maanfasen kunnen werken.”

Hoewel we vandaag de dag vaker wakker worden door het luide geluid van een wekker dan door het eerste ochtendgloren, houdt ons lichaam nog steeds gelijke tred met de zon. Bij mensen synchroniseren, net als bij veel andere dieren, geavanceerde biologische uurwerken, circadiane klokken genoemd, de ritmes van het lichaam met het ritme van de dageraad en het vallen van de avond. Cryptochroomeiwitten zijn belangrijke onderdelen van de circadiane klokken van veel organismen, die ofwel licht waarnemen, zoals bij planten, of coördineren met andere eiwitten die dat wel doen, zoals bij mensen.

Hoewel honderdduizenden keren zwakker dan de zon, verlicht de maan de aarde ook volgens een regelmatig schema. Een volledige cyclus, van nieuwe maan tot volle maan en weer terug, duurt 29.5 dagen. Veel organismen, vooral verschillende soorten zeeleven, gebruiken deze maankalender als een betrouwbare klok. Het is bekend dat koralen, mosselen, zeewormen en zelfs sommige vissen hun reproductieve activiteit afstemmen op de maanstanden.

Om hun circalunaire klokken te synchroniseren, moeten organismen op de een of andere manier maanlicht waarnemen en dit onderscheiden van zonlicht, dat in wezen hetzelfde soort licht is, alleen dan veel intenser. Hoe cellen er precies in slagen een maankalender bij te houden – om niet alleen maanlicht van zonlicht te onderscheiden, maar ook een volle maan van een nieuwe maan – is nog steeds grotendeels mysterieus.

Onlangs begonnen wetenschappers zich af te vragen of cryptochromen mogelijk betrokken zijn bij maanklokken, net zoals bij circadiaanse ritmes. In 2007 ontdekten wetenschappers hints in bepaalde koralen, die cryptochroomeiwitten actiever tot expressie brachten onder licht.

Een paar jaar geleden sloot Wolf zich aan bij de chronobioloog Kristin Tessmar-Raible van de Max Perutz Labs van de Universiteit van Wenen om te groeien P. dumerilii, omdat het zijn reproductie synchroniseert met de maanfasen. Ze bewezen dat een lichtgevoelig cryptochroom genaamd L-Cry een cruciaal onderdeel is van de maanklok van de worm. Het werk van hun team, gepubliceerd in 2022toonde aan dat het eiwit zowel duisternis van zonlicht als maanlicht kan onderscheiden.

Het was echter niet duidelijk hoe het eiwit werkte. In feite werd de circalunaire klok van geen enkel organisme op biochemisch niveau begrepen.

“Het is nogal over het hoofd gezien,” zei Wolf. “Dat kleine maanlichtsignaal is niet serieus genomen. Het was altijd de zon versus de duisternis.”

Om te leren hoe L-Cry werkt, wilden de onderzoekers vastleggen hoe de structuur ervan veranderde als het werd blootgesteld aan licht. Wolf verscheepte worm-L-Cry-eiwitten naar de Universiteit van Keulen, zodat er beelden van konden worden gemaakt Elmar Behrmann's structurele biochemielaboratorium, dat gespecialiseerd is in gevoelige, kortstondige eiwitten. Maar het ervaren team van Behrmann worstelde jarenlang om L-Cry zich goed genoeg te laten gedragen om door hun cryo-elektronenmicroscoop in beeld te worden gebracht.

Ze wisten het toen nog niet, maar er sloop licht in de monsters. “Waarschijnlijk anderhalf jaar lang, toen we dachten dat we in het donker werkten, waren we niet donker genoeg”, zegt Behrmann. Nadat ze elke deuropening en knipperende LED hadden afgedekt met zwarte siliconentape, kregen ze eindelijk een duidelijk beeld.

In het donker, P. dumeriliiDe L-Cry-eiwitten komen samen als gebonden paren die dimeren worden genoemd. Wanneer ze worden getroffen door intens zonlicht, vallen de dimeren weer uiteen in twee monomeren.

Dit is het tegenovergestelde van hoe lichtgevoelige cryptochromen zonlicht van duisternis in planten onderscheiden, zei Crane. Cryptochromen van planten groeperen zich in zonlicht en vallen uiteen in het donker.

De maanlichtvorm van L-Cry werd niet direct vastgelegd in deze experimenten, maar het nieuwe begrip van de dimeerstructuren onthult hoe L-Cry maanlicht onderscheidt van zonlicht. De maanlichtvorm van het eiwit kan alleen worden gemaakt uit de duisternisdimeer – niet uit de vrij zwevende zonlichtvorm. Dit helpt verklaren hoe wormen voorkomen dat ze het zwakke licht van zonsopgang en zonsondergang voor maanlicht aanzien.

Hoewel deze studie zich richt op slechts één eiwit in één dier, is er reden om te denken dat dit maantimingmechanisme deel uitmaakt van een evolutionair verhaal dat verder gaat dan de tragische maanverlichte romances van de borstelworm. “Het is heel goed mogelijk dat andere soorten cryptochromen ook dit soort mechanismen gebruiken,” zei Crane.

Andere dieren hebben maandelijkse voortplantingscycli, hoewel ze niet noodzakelijkerwijs rechtstreeks verband houden met de maan. Wij mensen hebben bijvoorbeeld een cyclus die ongeveer even lang is als de maancyclus, zei Tessmar-Raible. “De menstruatiecyclus is per definitie een maandelijkse oscillator.”

Elke mogelijke rol voor maanfasen bij het synchroniseren van de menselijke menstruatiecyclus is dat wel zeer controversieel. Toch kunnen menstruatie, maanden en de maan meer dan etymologische wortels gemeen hebben. De borstelwormhormonen die synchroon bewegen met de maanfasen hebben nauwe verwanten bij mensen, zei Tessmar-Raible. “Ik denk niet dat het te vergezocht is om te zeggen dat wormen de weg kunnen vrijmaken voor het begrijpen van de maandelijkse reproductieve timing bij mensen.” Misschien zijn onze moderne 28-daagse ritmes evolutionaire overblijfselen, samengevoegd uit stukjes ouder cellulair uurwerk dat, in een ondiepe oerzee, ooit zeewormen hielp de tijd aan te houden voor de cyclus van de maan.

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête biologie en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.