Evolusjonsbiolog Anders Krabberød begynner snart å gi opp håpet.

Han har sittet i timevis med øyet mot mikroskopet. I det opplyste vinduet mot mikrokosmos har hundrevis av sterkt forstørrede plankton sakte seilt forbi. 

De er vakre. De ligner firkantede bokser. Eller ørsmå, runde smykkeskrin. Men ingen av dem matcher den spesielle cellen Krabberød er ute etter. Klokka går. Eneste trøsten er Peter Gabriel og Kate Bush. Don’t give up, synger de på repeat.

Men så skjer det.

Noe glir inn i synsfeltet på mikroskopet. Krabberød stirrer. Vurderer.

Ja! Det er den! En bitte liten encellet skapning som han og kollegaene har sett før. Og som Krabberød nå endelig har klart å finne en til av. Én eneste.

Med aller største forsiktighet suger han cellen opp med et syltynt glassrør.

Nå må for himmelens skyld ingenting gå galt i sekvenseringa!

Bare én celle

Det lille planktonet Sticholonche zanclea, som lever i norsk sjøvann, lar seg nemlig ikke dyrke i laboratoriet, forteller Krabberød og et knippe kollegaer til forskning.no. Det er en god stund siden mikroskop-dramaet utspant seg. Men nå begynner den vitenskapelige betydningen av fangsten å bli tydelig.

I motsetning til en del andre encellede skapninger, vil ikke Sticholonche formere seg i fangenskap. Så forskerne hadde bare denne ene.

Det er et problem, for å si det sånn.

For skal du undersøke genene i en encellet organisme trenger du en hel haug av celler. Da kan du slå sammen materialet fra millioner av oppdyrkede individer og få nok til å gjøre en analyse.

Men 80 til 90 prosent av de encellede skapningene i verden er som Sticholonche. De liker seg ikke i laboratoriet, og vil ikke dele seg og vokse. Dermed har de heller ikke latt seg kartlegge.

Vi kan altså titte på individene vi finner i mikroskopet, og beskrive hvordan de ser ut og hvordan de oppfører seg. Men ikke finne ut hvilke gener som gir disse egenskapene, eller hvordan de har oppstått.

Og det kan jo være litt irriterende, når man har å gjøre med skapninger som har helt spesielle egenskaper. Som det intrikate cytoskjelettet til Sticholonche og slektningene dens.

Merkelig skjelett

Et cytoskjelett er et slags reisverk av rør og fibere som finnes inni celler. Det bestemmer hvilken form cellen får.

Og cytoskjelettet til Sticholonche og slektningene dens er mye mer intrikat og komplekst enn i noen andre celler i naturen.

– De karakteristiske formene har fascinert forskere i over hundre år, men hittil har ingen forstått den genetiske basisen for formene, forteller Kamran Shalchian-Tabrizi, som leder forskergruppa Morphoplex ved Universitetet i Oslo.

– Har Sticholonche utviklet nye typer gener, eller har den bare forandret måten den bruker genene sine? spør han.

Svaret på disse spørsmålene ligger i DNA-et som skjuler seg i de små skapningene. Og ikke minst i RNA-et deres.

Viser hva som er i bruk

RNA er en slags kopi av deler av DNA-et. Når et gen i DNA-et er i bruk, lager cellen en RNA-kopi av denne spesielle sekvensen. Kopien sendes til andre deler av cellen, som bruker den som oppskrift for å lage et protein.

Ved å kartlegge nettopp disse RNA-kopiene kan forskerne altså se ikke bare hvilke gener organismen har, men hvilke gener som faktisk er i bruk. Nettopp RNA-et til Sticholonche ville kunne avsløre hvilke gener skapningen bruker til å bygge det spesielle skjelettet.

Men hittil har vi altså ikke kunnet se på RNA-et til disse encellede organismene.

Nylig begynte imidlertid forskerne å øyne en sjanse.

­– I det siste har teknikkene for å analysere RNA blitt mye mer sensitive slik at vi kan studere RNA-et i bare én celle, sier Shalchian-Tabrizi.

– Disse teknikkene var utviklet for mus og mennesker, men vi ønsket å studere alle mulige typer encellede individer – som jo tross alt utgjør den største biodiversiteten på jorda.

Han satte sammen et team av forskere fra flere ulike fagfelt, som biokjemi, genetikk, bioinformatikk og paleontologi, for å lage en teknikk som fungerer på encellede skapninger – som Sticholonche.

Lagde ny metode

Oppgaven var enklere sagt enn gjort. En av utfordringene var rett og slett å bryte seg inn til DNA-et og RNA-et.

Gruppa av skapninger som Sticholonche tilhører – Radiolarier – har jo sitt berømte vakre og harde skjelett. Og i tillegg er DNA-et og RNA-et godt beskyttet av særegne og robuste membraner. Så hvordan knuser man dette buret uten å ødelegge DNA-et i samme slengen?

I tillegg har radiolariene leieboere – såkalte symbionter. Inne i de encellede skapningene lever det alger som driver fotosyntese. De fungerer som en slags hage av grønnsaker som lager energi til radiolarien. Men algene inneholder sitt eget DNA og RNA.

Så når man skal kartlegge genomet til radiolariene, er det fort gjort å ende opp med DNA og RNA fra grønnsakene i stedet.

­– Som du skjønner hadde vi mange utfordringer, sier Russell Orr, en av forskerne i Morphoplex.

Klarte det!

Forskerteamet måtte igjennom mye prøving og feiling. Men etter noen år var metoden klar: Forskerne kunne analysere genmaterialet til én enkelt encellet organisme. I hvert fall noen av gangene de forsøkte.

Spørsmålet var om de ville lykkes med å analysere RNA-et til det ene, dyrebare eksemplaret av Sticholonche, som Krabberød hadde brukt så mange timer på å finne.

Det gikk. Heldigvis.

Og dermed kunne forskerne endelig kikke inn i maskineriet til organismen, for å se hvordan den lager det karakteristiske skjelettet.

Der inne ventet en overraskelse.

Fikk flere byggeklosser

Når levende skapninger får nye egenskaper, må de på en eller annen måte skaffe seg gener som gjør noe nytt. Hvordan gjør de det?

– Studier av planter og dyr viser at nye former og egenskaper oftest oppstår fordi gener som er der fra før reguleres og brukes på en ny måte, sier Jon Bråte, en annen av forskerne i Morhhoplex.

Men det var ikke det som hadde skjedd i Sticholonche.

På ett eller annet tidspunkt i evolusjonshistorien har forfaren til Sticholonche i stedet lagd en kopi av genene som danner skjelettet. Og disse kopiene endret seg fra originalen, slik at de fikk nye egenskaper.

Det betyr at Sticholonche har både et gammelt og et nytt sett med gener, og dermed har fått dobbelt så mange byggeklosser til å danne et skjelett av.

– Ingen andre grupper har kopiert genene på denne måten, og det forklarer hvorfor Radiolarer har så unikt cytoskjelett, sier Shalchian-Tabrizi.

Store spørsmål i biologien

Det ene eksemplaret av Sticholonche har altså gitt verdens biologer det første svaret på et spørsmål de har lurt på i snart 160 år, helt siden den tyske biologen Ernst Haeckel først tegnet og beskrev radiolariene og de rare skjelettene deres.

Etter hvert vil forhåpentligvis undersøkelser av flere eksemplarer bekrefte funnene til Morphoplex-forskerne.

Men oppdagelsen handler om mer enn en særegen gruppe skapninger og deres form, sier Shalchian-Tabrizi.

– En av grunnpilarene i biologifaget er nettopp å forstå sammenhengen mellom gener og fysiske egenskaper, forteller han.

– Selv om vårt mål har vært å bruke RNA fra Sticholonche til å forklare evolusjon av radiolarenes skjelett, er det overordnede målet med vår forskning å få innblikk i de generelle mekanismene som kan forklare komplekse strukturer i alle typer celler.

Referanse:

A. K. Krabberød, R. J. S. Orr, J. Bråte, T. Kristensen, K. R. Bjørklund & K. Shalchian-Tabrizi, Single cell transcriptomics, mega-phylogeny and the genetic basis of morphological innovations in Rhizaria, Molecular Biology and Evolution, juli 2017.