A Dr. Richard Lenski ambiciózus, 30 éves kísérlete

Milyen 60 000 baktériumgeneráció mond nekünk a világunkról

Művészet: Natalya Zahn

Mennyire lehet visszavezetni a családfáját?

A vonalom homályos lesz 5. öreg nagymamám körül: Rebecca Ellsworth, New York-ból. Erzsébet királynő (nyilvánvalóan sokkal jobb nyilvántartó, mint én) nyomon követheti vonalát a 32. dédapjára: a nagy Wessex-i Alfred királyra. De még a brit királynőknek is nehéz nehéz lépést tartani a konfuciánusokkal. E kínai filozófus leszármazottjai óvatosan nyomon követik az ősök több mint 80 generációját.

A Konfuciusz vonal elnyeri az emberiség leghosszabb, dokumentált genealógiájának díját, ám a versenynek az élet minden formájára történő kiterjesztése távoli, távoli második helyezettvé teszi őket.

Az evolúciós biológus, Richard Lenski, a Michigan State University, 1988 óta végez kísérletet az alázatlan bélbaktérium Escherichia coli felhasználásával. Mivel ezek a baktériumok ideális laboratóriumi körülmények között körülbelül 20 percenként képesek új generáció elindítására, a Lenski csapata képes volt gondosan megfigyelni. és megőrizni több mint 60 000 generációt az E. coli őseiben.

Egyetlen emberi család sem versenyezhet ezeknek a baktériumoknak a genealógiai rekordjával ... az anatómiailag modern emberek csak körülbelül 12 000 generáción léteztek. Az őseimet csak azért vizsgáltam, mert tudni akartam, hogy származtam-e valaki híres emberről (nincs ilyen szerencse). A Lenski laboratóriumnak teljesen más célja van. Megértik, hogy minden nemzedék bevezet változást, és hogy ez a fokozatos változás képezi az élet alakulásának alapját. Hogyan történnek ezek a változások? Milyen gyorsan fordulnak elő? A Lenski laboratórium ezt a kis bélmikrobot használja a nagy kérdések megválaszolására.

Richard Lenski egy tálcás lombikkal a hosszú távú evolúciós kísérletből a laboratóriumban, a Michigan State University-ben, 2016. május 26-án. (Fotó: Zachary Blount)

A laboratóriumi kutatók folyamatosan szaporítják és ellenőrzik a baktériumtenyészeteket. Néhány havonta (vagy körülbelül 500 generációnként) a baktériumsejtek egy részét fagyasztókonzervekben tárolják minden őseikkel együtt egy „fagyasztott fosszilis nyilvántartás” részeként. De ezek élő kövületek - ezeknek a kultúráknak bármelyikét meg lehet élni a kísérletekhez és a DNS szekvenáláshoz.

Kísérleteik során a Lenski-csapat izgalmas változásokon ment keresztül. Egy szélsőséges példában megfigyelték egy vadonatúj tulajdonság fejlődését: az új típusú élelmiszerek emésztésének képességét.

A kísérlet 12, kissé eltérő E. coli populációval vagy törzzsel kezdődött, amelyek kezdetben egyetlen sejtből származtak, és a tápanyagban lévő glükóz felhasználták az egyetlen energiaforrást. A tudósok ezeket a törzseket olyan kemencében növesztették, amely csak kevés glükózt tartalmaz, de (technikai okokból) sok citrát tartalmazott. A citrát hasonló a glükózhoz, de az E. coli törzsek egyike sem képes metabolizálni a citrátot úgy, ahogyan a glükózt végezték. Az alacsony glükóztartalmú környezetben ezek a mikrobák éheztek.

Körülbelül 31 000 generációval később, a 12 törzsből 11 továbbra is kizárólag a glükózon támaszkodott az energiatermelésre, de az egyik törzs kifejlesztette a citrátfogyasztási képességet is. Következésképpen ezek a citrátfelhasználó baktériumok sokkal jobban képesek növekedni a glükózszegény / citrátban gazdag tápközegben, mint 11 testvér törzsük. Ta da! Az evolúció ott történt a padon, és egyszerűen kinyitva a mélyhűtő ajtaját, pontosan megtudhatja, mikor és hogyan történtek ezek a változások. A praktikus fagyasztott fosszilis nyilvántartásuk felhasználásával a kutatók újjáélesztették az őseket a vonalban, amely citrát-tápláló baktériumokat eredményezett, és megmutatták az új tulajdonság kialakulásához szükséges lépéseket.

Az emberek evolúciós változásokat tapasztaltak meg abban, amit tudunk emésztni és mi sem. A laktáz perzisztencia - egy felnőtt ember képessége a tejcukor-laktóz emésztésére, mondjuk egy gallon fagylaltban, ha így tetszik - a közelmúltban fejlődött ki. A legtöbb emlős csak a szoptató csecsemőknek emésztheti meg a laktózt, ám az emberek néhány populációja megőrzi ezt a képességét egész életében. Nem tudjuk újjáéleszteni és szekvenciára állítani az emberek több generációját, így nehezebb körbevágni a specifikációt, de a laktáz-perzisztencia becslések szerint először kb. 7500 évvel ezelőtt (~ 300 emberi generáció) jött létre, röviddel azután, hogy az emberek kitalálták, hogyan kell háziasítani. szarvasmarha (megy ábra).

Szóval, honnan származnak ezek az új vonások? Lenski E. coli kutatása alátámasztja azt az elképzelést, miszerint új vonások a véletlenszerű genetikai változásoknak csak a megfelelő kombinációiból származnak, amelyek - bár rendkívül ritkák - elég idővel megtörténnek. Néhány DNS-mutáció egyáltalán nem okoz nyilvánvaló változást a szervezetben. Más mutációk hihetetlenül károsak, mint például a humán BRCA1 gén mutációi, amelyek egyes embereket hajlamosak emlőrákra. De nagyon hosszú idő alatt előfordulnak olyan jótékony genetikai változások, amelyek egy szervezetet fittebbé, boldogabbá, produktívabbá tesznek… minden új generációnak lehetősége van új fejlesztések felfedezésére.

Az új tulajdonságokért felelős DNS-mutációk véletlenszerűen fordulnak elő, még akkor is, ha nincs szelekciós nyomás. Például a bél tartalmaz antibiotikumokkal szemben ellenálló baktériumokat. Az antibiotikum-rezisztencia olyan tulajdonság, amelyet a gének adnak, amelyek állandóan véletlenszerű mutációkat tapasztalnak meg. Ha egészséges vagy, és nem szed semmilyen antibiotikumot, akkor ezeknek a rezisztens baktériumoknak nincs előnye más törzsekkel szemben. Megmaradnak, de az összes többi baktériumhoz viszonyítva kevés. Amint elkezdi az antibiotikus kezelést, ezeknek a mutánsoknak megvan az előnye. Ha mindenkit másként megölnek, akkor virágzik, átjárhat a lakosságon, és helyettesítheti más törzseket.

A mikrobiális evolúció egyéb mozgatórugóinak és következményeinek azonosítása egy aktív kutatási terület, amely keresztezi az orvostudományt és az evolúciós biológiát. A mikrobák súlyos hatást gyakorolnak a gazdaszervezet egészségére, ám ezeknek nincs a korlátja ugyanolyan, mint a gazdasereiknek. Sokkal gyorsabban szaporodnak, lényegesen nagyobb számban léteznek, sőt géneket cserélnek olyan módon, ahogyan az ember nem képes. Ezenkívül, amint azt Richard Lenski munkája megmutatja nekünk, segítenek bennünket a prímás agyunk körvonalazásában a látszólag lehetetlen feladat köré - megérteni az evolúció tényleges működését.

Maga Darwin a mérőszalaggal és a madárcsőr gyűjteményével valóban csak azt bizonyította, hogy az evolúció megtörténik. Megérteni, hogy ez hogyan történik, és mit hozhat nekünk a következőkben, ez a generáció feladata - néhány mikrobának segítségével. Lehet, hogy egy embernek nehéz felbecsülni, hogy az evolúció egy folyamatban lévő folyamat, de ne feledje, hogy életed egy éve sok generációt meghaladó lehetőségeket rejt magában a mikrobióm és te fejlődése számára.

Az I Contain Multitudes egy többrészes videó sorozat, amely a mikrobióm csodálatos, rejtett világának feltárására szolgál.