Znotraj ambicioznega, 30-letnega eksperimenta dr. Richarda Lenskega

Kaj nam govori o našem svetu 60.000 generacij bakterij

Umetnost: Natalya Zahn

Kako daleč lahko zasledite vaše družinsko drevo?

Linija me je zmedla okoli moje pete prababice: Rebecca Ellsworth iz New Yorka. Kraljica Elizabeta (očitno veliko boljša rekorderka od mene) lahko izsledi svojo rodoslovje do svojega 32. pradedka: kralja Alfreda Velikega. Toda tudi britanski kraljevci težko držijo korak s Konfucijami. Potomci tega kitajskega filozofa so skrbno izsledili več kot 80 generacij prednikov.

Konfucijeva linija osvoji nagrado za najdaljše dokumentirano rodoslovje v človeški rasi, a širitev konkurence na vse oblike življenja jih zruši na oddaljeno, oddaljeno mesto.

Evolucijski biolog Richard Lenski z Michigan State University izvaja poskus z uporabo skromne bakterije črevesja Escherichia coli od leta 1988. Ker so te bakterije sposobne zagnati novo generacijo približno vsakih 20 minut v idealnih laboratorijskih pogojih, je Lenskijev tim lahko skrbno spremljal in ohranijo več kot 60.000 generacij rodovine E. coli.

Nobena človeška družina ne more konkurirati genealoškim zapisom teh bakterij ... anatomsko moderni ljudje obstajajo že približno 12.000 generacij. Pogledal sem le v svoj prednik, ker sem hotel vedeti, če sem izpadel od nekoga slavnega (takšne sreče ni). Cilj laboratorija Lenski je povsem drugačen. Razumejo, da vsaka generacija uvaja spremembe in da je ta postopna sprememba osnova, kako se razvija vse življenje. Kako se te spremembe zgodijo? Kako hitro se pojavijo? Laboratorij Lenski uporablja ta majhen mikrobi črevesja za odgovor na ta velika vprašanja.

Richard Lenski s pladnjem bučk iz eksperimenta za dolgotrajno evolucijo v svojem laboratoriju na Michigan State University, 26. maja 2016. (Fotograf: Zachary Blount)

Raziskovalci v laboratoriju nenehno razmnožujejo in spremljajo bakterijske kulture. Vsak par mesecev (ali približno 500 generacij) se del bakterijskih celic ohrani v zamrzovalnikih skupaj z vsemi njihovimi predniki kot del "zapisov zamrznjenih fosil." Toda to so živi fosili - katero koli od teh kultur je mogoče oživiti za eksperimentiranje in zaporedje DNK.

V času eksperimenta je ekipa Lenski opazila nekaj vznemirljivih sprememb. V enem skrajnem primeru so opazili razvoj povsem nove lastnosti: sposobnost prebave nove vrste hrane.

Eksperiment se je začel z 12 nekoliko različnimi populacijami ali sevi E. coli, ki so sprva nastali iz ene same celice in vsi uporabljeni glukoza v juhi kot edini vir ogljika za energijo. Znanstveniki so gojili te seve v juhi, ki je vsebovala le malo glukoze, vendar (zaradi tehničnih razlogov) je bilo veliko citrata. Citrat je podoben glukozi, vendar noben od sevov E. coli ne bi mogel metabolizirati citrata tako, kot so ga glukoze. V okolju z nizko vsebnostjo glukoze so ti mikrobi stradali.

Približno 31.000 generacij pozneje se je 11 od 12 sevov še vedno opiralo samo na glukozo, da bi se lahko razmnožila energija, vendar je en sev razvil tudi sposobnost uživanja citrata. Posledično so te bakterije, ki uporabljajo citrat, lahko v gojiščih z glukozo / citratom bogato rasle kot njihovi 11 semeni. Ta da! Evolucija se je zgodila prav tam, na klopi, in preprosto odpiranje vrat zamrzovalnika bi lahko razkrilo točno, kdaj in kako so se te spremembe odvijale. S pomočjo priročnega zapisa o zamrznjenem fosilu so raziskovalci oživili prednike v rodu, ki je sprožil bakterije, ki jedo citrate, in pokazale korake, ki so potrebni za to novo lastnost.

Ljudje smo doživeli evolucijske spremembe v tem, kar lahko in česa tudi ne moremo prebaviti. Vztrajanje laktaze, sposobnost odraslega človeka za prebavo laktoze iz mlečnega sladkorja v, recimo, litru sladoleda, če ji to ugaja, se je razvila dokaj nedavno. Večina sesalcev lahko prebavlja laktozo le kot dojenčki, vendar nekatere populacije ljudi to sposobnost ohranjajo celo življenje. Ne moremo oživiti in zaporediti sto generacij ljudi, zato je težje odkriti specifike, vendar se ocenjuje, da je obstojnost laktaze prvič nastala pred približno 7500 leti (~ 300 človeških generacij), kmalu potem, ko so ljudje ugotovili, kako udomačiti govedo (go figura).

Torej, od kod prihajajo te nove lastnosti? Lenskijeva raziskava E. coli podpira idejo, da nove lastnosti izhajajo iz pravih kombinacij naključnih genetskih sprememb, ki se sicer izjemno redko zgodijo, če imamo dovolj časa. Nekatere mutacije DNA sploh ne povzročajo očitnih sprememb v organizmu. Druge mutacije so neverjetno škodljive, kot mutacije v človeškem genu BRCA1, zaradi katerih so nekateri ljudje dovzetni za raka dojke. Toda enkrat v zelo dolgem času pride do blagodejnih genetskih sprememb, ki naredijo organizem boljši, srečnejši, produktivnejši ... vsaka nova generacija ima priložnost raziskati nove izboljšave.

Mutacije DNA, ki so odgovorne za nove lastnosti, se pojavijo naključno, tudi kadar ni selekcijskega pritiska. Na primer, vaše črevesje vsebuje bakterije, odporne na antibiotike. Odpornost na antibiotike je lastnost genov, ki ves čas doživljajo naključne mutacije. Če ste zdravi in ​​ne jemljete nobenih antibiotikov, te odporne bakterije nimajo prednosti pred drugimi sevi. Ostajajo, vendar v majhnem številu glede na vse ostale bakterije. Ko začnete z zdravljenjem z antibiotiki, imajo ti mutanti prednost. Če vse ostale pokončajo, lahko uspevajo, "pometajo" skozi populacijo in nadomeščajo druge seve.

Prepoznavanje drugih gonil in posledic evolucije mikrobov je aktivno področje raziskav, ki sekajo medicino in evolucijsko biologijo. Mikrobi imajo močan vpliv na zdravje svojega gostitelja, vendar nimajo enakih omejitev kot njihovi gostitelji. Razmnožujejo se veliko hitreje, obstajajo v veliko večjem številu in celo izmenjujejo gene na način, ki jih ljudje ne morejo. Kot kaže tudi delo Richarda Lenskega, nam pomagajo, da si možgane primatov ovijemo na videz nemogoče naloge razumevanja, kako evolucija dejansko deluje.

Sam Darwin je s svojo mero traku in zbirko ptičjega kljuna res lahko samo dokazal, da se zgodi evolucija. Razumevanje, kako se to dogaja, in kaj bi nam lahko prineslo naslednje, je naloga te generacije - s pomočjo nekaterih mikrobov. Morda je komu težko težko razumeti, da je evolucija trajen proces, vendar ne pozabite, da je eno leto vašega življenja vredno več generacij priložnosti, da se bo vaš mikrobiom razvil.

I Contain Multitudes je večdelna video serija, namenjena raziskovanju čudovitega, skritega sveta mikrobioma.