Fluctuerende selectiedruk laat bacterie sneller evolueren

Selectiedruk verkiest niet alleen gunstige mutaties, maar bevordert ook het vermogen om te evolueren zelf, blijkt uit een studie naar Pseudomonas fluorescens-bacteriën.

In een drie jaar durend experiment dwingen onderzoekers acht culturen van Pseudomonas fluorescens-bacteriën zich telkens opnieuw aan te passen aan fluctuerende omstandigheden. Evolutiebiologen van het Max Planck Institute for Evolutionary Biology in Plön laten daarmee zien dat evolueerbaarheid van deze bacteriesoort zelf evolueert als reactie op selectie (Science, 20 februari).

SELECTIEPROCES

De bodembacterie moet in een streng gecontroleerd selectieproces telkens wisselen tussen twee fenotypen. Het ene bacteriefenotype produceert een cellulose-achtige stof, wat deze bacteriën in staat stelt om een dikke biofilmlaag van cellen te vormen op het grensvlak tussen het zuurstofarme vloeistofmedium en de lucht. Zodra deze gevormd is, kunnen ook cellen die geen cellulose produceren (fenotype twee) die laag koloniseren. Deze cellen profiteren van de toegang tot zuurstof, zonder de energiekosten van celluloseproductie te moeten dragen. Een kweekcyclus in dit selectieregime bestaat uit zes dagen waarin de biofilmvormende bacteriën groeien, gevolgd door een selectie waarbij alleen biofilmkoloniserende mutanten verdergaan. Daarna wordt het selectieproces omgekeerd. Als een bacterielijn niet op tijd de juiste mutatie ondergaat, sterft deze uit, waarop de onderzoekers deze lijn vervangen door cellen uit een willekeurige andere cultuur met het vereiste fenotype.Het team herhaalt dit proces tientallen keren, wat een situatie creëert waarin bacteriën die snel nuttige mutaties kunnen ontwikkelen de overhand krijgen.

De bodembacterie Pseudomonas fluorescens - hier met een adaptief gerimpeld kolonietype - is een modelorganisme voor evolutionair onderzoek. Foto: © M. Schwarz, MPI Evolutionary Biology

Door het volledige genoom van de bodembacterie te sequensen, ontdekken de auteurs dat mutaties in een specifiek regulatorgen verantwoordelijk zijn voor veel van de waargenomen fenotypewisselingen. Dit regulatorgen ontwikkelde een herhalend stukje dna van zeven nucleotiden lang, dat zeer gevoelig is voor inserties en deleties tijdens dna-replicatie. Verlenging en verkorting van deze dna-sequentie maakt dat P. fluorescens-bacteriën snel en herhaaldelijk tussen fenotypen kunnen wisselen.

SELECTIEDRUK

‘Wat de auteurs aantonen, namelijk dat je bacteriën kunt selecteren die sneller adaptief reageren bij een fluctuerende selectiedruk, is op zichzelf niet verrassend. Anderen hebben dat eerder aangetoond met digitale selectie-experimenten en deze onderzoeksgroep heeft dit jaren geleden al laten zien in experimenten met dezelfde bacteriestam. Bovendien hebben met name pathogene bacteriën vergelijkbare genen met verhoogde mutatiesnelheid, die coderen voor de oppervlakte-eiwitten waaraan het immuunsysteem van een gastheer ze herkent’, vertelt evolutionair geneticus Arjan de Visser van Wageningen Universiteit. ‘We weten dat dit soort genen met verhoogde evolueerbaarheid kúnnen evolueren,’ aldus De Visser. ‘Het mooie van deze nieuwe studie’, stelt hij, ‘is dat de auteurs laten zien dat dit makkelijker gebeurt als er selectie tussen bacterielijnen (en niet alleen tussen cellen binnen bacterielijnen) optreedt.’ Dan worden bacteriën volgens hem niet alleen afgerekend op de aanwezigheid van mutanten met hogere fitness, maar ook op de productie van deze varianten. ‘Bovendien laten de auteurs in moleculair detail zien hoe een mutant met verhoogde evolueerbaarheid stapsgewijs via verschillende mutaties tot stand komt. Er bestaan heel wat ideeën over de evolutie van evolvability, maar relatief weinig experimentele gegevens. Deze nieuwe studie is daarom zeer welkom en maakt deze ideeën concreet’, sluit De Visser af.

Zie ook:
Insights into Evolutionary Dynamics: New Study Reveals the Evolution of Evolvability - Website Max Planck Institute for Evolutionary Biology, 20 februari 2025