Wewnątrz Ambitnego, 30-letniego eksperymentu dr. Richarda Lenskiego

Co 60 000 pokoleń bakterii mówi nam o naszym świecie

Sztuka: Natalya Zahn

Jak daleko można prześledzić drzewo genealogiczne?

Mój rodowód rozmywa się wokół mojej 5-prababci: Rebecca Ellsworth z Nowego Jorku. Królowa Elżbieta (najwyraźniej znacznie lepsza ode mnie rekordzistka) może prześledzić swoje pochodzenie od swojego 32. pradziadka: króla Alfreda Wielkiego z Wessex. Ale nawet brytyjscy członkowie rodziny królewskiej mają trudności z dotrzymaniem kroku konfucjanistom. Potomkowie tego chińskiego filozofa dokładnie śledzili ponad 80 pokoleń przodków.

Linia Konfucjusza wygrywa nagrodę za najdłużej udokumentowaną genealogię w rasie ludzkiej, ale rozszerzenie konkurencji na wszystkie formy życia powala ich na odległego, dalekiego miejsca.

Biolog ewolucyjny Richard Lenski z Uniwersytetu Stanowego w Michigan prowadzi eksperyment z wykorzystaniem bakterii jelitowej Escherichia coli od 1988 roku. Ponieważ bakterie te są w stanie rozpocząć nową generację co około 20 minut w idealnych warunkach laboratoryjnych, zespół Lenski był w stanie dokładnie monitorować i zachować ponad 60 000 pokoleń przodków E. coli.

Żadna ludzka rodzina nie jest w stanie konkurować z danymi genealogicznymi tych bakterii… anatomicznie współcześni ludzie istnieją tylko od około 12 000 pokoleń. Patrzyłem tylko na swoje pochodzenie, ponieważ chciałem wiedzieć, czy pochodzę od kogoś sławnego (bez takiego szczęścia). Laboratorium Lenski ma zupełnie inny cel. Rozumieją, że każde pokolenie wprowadza zmianę i że ta stopniowa zmiana jest podstawą rozwoju całego życia. Jak zachodzą te zmiany? Jak szybko się pojawiają? Laboratorium Lenski używa tego małego drobnoustroju jelitowego, aby odpowiedzieć na te duże pytania.

Richard Lenski z tacą kolb z długoterminowego eksperymentu ewolucyjnego w swoim laboratorium na Michigan State University w dniu 26 maja 2016 r. (Fot. Zachary Blount)

Naukowcy w laboratorium stale rozmnażają i monitorują kultury bakteryjne. Co kilka miesięcy (lub około 500 pokoleń) część komórek bakteryjnych jest przechowywana w zamrażarkach obok wszystkich ich przodków w ramach „zamrożonego zapisu kopalnego”. Ale to są żywe skamieliny - każdą z tych kultur można ożywić do eksperymentów i sekwencjonowania DNA.

W trakcie eksperymentu zespół Lenski zaobserwował kilka ekscytujących zmian. W jednym skrajnym przykładzie zaobserwowali ewolucję zupełnie nowej cechy: zdolności do trawienia nowego rodzaju żywności.

Eksperyment rozpoczął się od 12 nieznacznie różnych populacji lub szczepów E. coli, które wszystkie początkowo powstały z pojedynczej komórki i wszystkie zużyte glukozy występowały w bulionie jako jedynym źródle węgla dla energii. Naukowcy wyhodowali te szczepy w bulionie, który zawierał tylko niewielką ilość glukozy, ale (z przyczyn technicznych) zdarzyło się, że zawierają dużo cytrynianu. Cytrynian jest podobny do glukozy, ale żaden ze szczepów E. coli nie mógł metabolizować cytrynianu w taki sam sposób jak glukoza. W środowisku o niskiej zawartości glukozy te drobnoustroje głodowały.

Około 31 000 pokoleń później 11 z 12 szczepów nadal polegało wyłącznie na glukozie, aby energia mogła się rozmnażać, ale jeden szczep rozwinął także zdolność do jedzenia cytrynianu. W konsekwencji te bakterie wykorzystujące cytrynian były w stanie znacznie lepiej rosnąć w podłożach ubogich w glukozę / bogatych w cytrynian niż w 11 szczepach rodzeństwa. Ta da! Ewolucja nastąpiła właśnie tam, na blacie stołu, a samo otwarcie drzwi zamrażarki może ujawnić dokładnie, kiedy i jak miały miejsce te zmiany. Korzystając z poręcznego zamrożonego zapisu skamielin, badacze ożyli przodków z linii, która dała początek bakteriom jedzącym cytrynian, i wskazali kroki, które należy wykonać, aby powstać ta nowa cecha.

Ludzie doświadczyli zmian ewolucyjnych w tym, co możemy, a czego nie możemy trawić. Wytrzymałość laktazy, zdolność dorosłego człowieka do trawienia laktozy z cukru mlecznego, powiedzmy, galon lodów, jeśli chce, ewoluowała dość niedawno. Większość ssaków może trawić laktozę jedynie jako niemowlęta karmiące piersią, ale niektóre populacje ludzi zachowują tę zdolność przez całe życie. Nie możemy ożywić i uporządkować setek pokoleń ludzi, więc trudniej jest doprecyzować szczegóły, ale szacuje się, że trwałość laktazy pojawiła się około 7500 lat temu (~ 300 pokoleń ludzkich), wkrótce po tym, jak ludzie wymyślili, jak udomowić bydło (idź rysunek).

Skąd więc te nowe cechy? Badania E. coli przeprowadzone przez Lenskiego potwierdzają ideę, że nowe cechy wynikają z właściwych kombinacji przypadkowych zmian genetycznych, które, choć niezwykle rzadkie, zdarzają się w wystarczającym czasie. Niektóre mutacje DNA nie powodują żadnej oczywistej zmiany w organizmie. Inne mutacje są niezwykle szkodliwe, jak mutacje w ludzkim genie BRCA1, które sprawiają, że niektórzy ludzie są podatni na raka piersi. Ale od czasu do czasu zachodzą korzystne zmiany genetyczne, które sprawiają, że organizm jest sprawniejszy, szczęśliwszy, bardziej produktywny… każde nowe pokolenie ma szansę odkryć nowe ulepszenia.

Mutacje DNA odpowiedzialne za nowe cechy występują losowo, nawet gdy nie ma presji selekcyjnej. Na przykład jelito zawiera bakterie oporne na antybiotyki. Odporność na antybiotyki jest cechą nadawaną przez geny, które przez cały czas doświadczają przypadkowych mutacji. Jeśli jesteś zdrowy i nie bierzesz żadnych antybiotyków, te oporne bakterie nie mają przewagi nad żadnym innym szczepem. Pozostają, ale w niewielkiej liczbie w stosunku do wszystkich innych obecnych bakterii. Po rozpoczęciu leczenia antybiotykami mutanty te mają przewagę. Jeśli wszyscy inni zostaną zabici, mogą się rozwijać, „przeczesywać” populację i zastępować inne szczepy.

Identyfikacja innych czynników i konsekwencji ewolucji mikrobiologicznej jest aktywnym obszarem badań, który krzyżuje medycynę i biologię ewolucyjną. Mikroby mają ogromny wpływ na zdrowie gospodarza, ale nie mają takich samych limitów jak gospodarze. Rozmnażają się znacznie szybciej, istnieją w znacznie większej liczbie, a nawet wymieniają geny w sposób, którego ludzie nie potrafią. Pomagają nam również, jak pokazuje nam praca Richarda Lenskiego, owijać nasze mózgi naczelnych wokół pozornie niemożliwego zadania zrozumienia, jak ewolucja faktycznie działa.

Sam Darwin ze swoją taśmą mierniczą i kolekcją ptasich dziobów mógł naprawdę tylko pokazać, że ewolucja się dzieje. Zrozumienie, jak to się dzieje i co może nam przynieść, jest zadaniem tego pokolenia - przy pomocy niektórych drobnoustrojów. Jednej osobie może być trudno docenić fakt, że ewolucja jest procesem ciągłym, ale pamiętaj, że jeden rok życia jest szansą wielu pokoleń na rozwój twojego mikrobiomu i ciebie.

I Contain Multitudes to wieloczęściowa seria filmów poświęcona eksploracji cudownego, ukrytego świata mikrobiomu.