Hoe lijken mitochondriën en chloroplasten op bacteriën?

Bijna vier miljard jaar geleden verschenen de eerste levensvormen op aarde, en dit waren de vroegste bacteriën. Deze bacteriën evolueerden in de loop van de tijd en vertakken zich uiteindelijk in de vele levensvormen die we tegenwoordig zien. Bacteriën behoren tot de groep organismen die prokaryoten worden genoemd, eencellige entiteiten die geen interne structuren bevatten die met membranen zijn gebonden. De andere klasse van organismen zijn de eukaryoten die membraangebonden kernen en andere structuren hebben. Mitochondriën, die de cel van energie voorzien, zijn een van deze membraangebonden structuren die organellen worden genoemd. Chloroplasten zijn organellen in plantencellen die voedsel kunnen maken. Deze twee organellen hebben veel gemeen met bacteriën en zijn mogelijk rechtstreeks van hen geëvolueerd.

Bacteriën dragen hun DNA, het molecuul dat genen bevat, in cirkelvormige componenten die plasmiden worden genoemd. Mitochondriën en chloroplasten hebben hun eigen DNA gedragen in plasmide-achtige structuren. Bovendien hecht het DNA van mitochondriën en chloroplasten, net als dat van bacteriën, niet aan beschermende structuren die histonen worden genoemd en die het DNA binden. Deze organellen maken hun eigen DNA en synthetiseren hun eigen eiwitten onafhankelijk van de rest van de cel.

Bacteriën maken eiwitten in structuren die ribosomen worden genoemd. Het proces van het maken van eiwitten begint met hetzelfde aminozuur, een van de 20 subeenheden waaruit eiwitten bestaan. Dit uitgangsaminozuur is N-formylmethionine in zowel bacteriën als mitochondriën en chloroplasten. N-formylmethionine is een andere vorm van het aminozuur methionine; de eiwitten die in de rest van de ribosomen van de cel worden gemaakt, hebben een ander startsignaal: gewoon methionine. Bovendien lijken chloroplast-ribosomen sterk op bacteriële ribosomen en verschillen ze van de ribosomen van de cel.

Mitochondriën en chloroplasten maken meer van zichzelf aan op vrijwel dezelfde manier als: bacteriën reproduceren. Als mitochondriën en chloroplasten uit een cel worden verwijderd, kan de cel geen van deze organellen meer maken om de verwijderde organellen te vervangen. De enige manier waarop deze organellen kunnen worden gerepliceerd, is via dezelfde methode die door bacteriën wordt gebruikt: binaire splitsing. Net als bacteriën groeien mitochondriën en chloroplasten in omvang, dupliceren hun DNA en andere structuren en verdelen zich vervolgens in twee identieke organellen.

Mitochondriale en chloroplastfunctie lijken te worden aangetast door de werking van dezelfde antibiotica die problemen veroorzaken voor bacteriën. Antibiotica zoals streptomycine, chlooramfenicol en neomycine doden bacteriën, maar ze veroorzaken ook schade aan mitochondriën en chloroplasten. Chlooramfenicol werkt bijvoorbeeld in op ribosomen, de structuren in cellen die de plaatsen zijn van eiwitproductie. Het antibioticum werkt specifiek op bacteriële ribosomen; helaas beïnvloedt het ook de ribosomen in mitochondriën, concludeert een onderzoek uit 2012 door Dr. Alison E. Barnhill en collega's aan het Iowa State University College of Veterinary Medicine en gepubliceerd in het tijdschrift "Antimicrobial Agents and Chemotherapy."

Vanwege opvallende overeenkomsten tussen chloroplasten, mitochondriën en bacteriën, begonnen wetenschappers hun relatie met elkaar te onderzoeken. Bioloog Lynn Margulis ontwikkelde de endosymbiotische theorie in 1967 en verklaarde de oorsprong van mitochondriën en chloroplasten in eukaryote cellen. Dr. Margulis theoretiseerde dat zowel mitochondriën als chloroplasten hun oorsprong vonden in de prokaryotische wereld. Mitochondriën en chloroplasten waren eigenlijk zelf prokaryoten, eenvoudige bacteriën die een relatie aangingen met gastheercellen. Deze gastheercellen waren prokaryoten die niet in staat waren om in zuurstofrijke omgevingen te leven en deze mitochondriale voorlopers verzwolgen. Deze gastheerorganismen voorzagen hun bewoners van voedsel in ruil voor het kunnen overleven in een giftige zuurstofhoudende omgeving. Chloroplasten uit plantencellen kunnen afkomstig zijn van organismen die lijken op de cyanobacteriën. De voorloper van de chloroplast kwam in symbiose met plantencellen leven omdat deze bacteriën dat zouden doen hun gastheren te voorzien van voedsel in de vorm van glucose, terwijl de gastheercellen een veilige plek zouden bieden om leven.