Bionieuws

Ecologie & Evolutie

Bacterie-experiment maakt evolutie herhaalbaar

Microbioloog Richard Lenski met rechts van hem containers met bevroren bacteriën uit zijn langlopend evolutie-experiment. Foto: G.L. Kohuth, Michigan State University

De Amerikaanse evolutiebioloog Richard Lenski (1956) toert deze week door Nederland en houdt lezingen in Egmond aan Zee (30 augustus) en Wageningen (31 augustus). Zijn langetermijn-evolutie-experiment met modelbacterie E. coli biedt evolutiebiologen wereldwijd inspiratie. Bij het 25-jarig jubileum van dit experiment schreef Bionieuws dit artikel over experimentele evolutie tot op genniveau.

‘Er zitten ongeveer 4,5 miljoen nucleotiden in het E. coli-genoom. Het is intrigerend dat onafhankelijk van elkaar in verschillende populaties precies dezelfde vier veranderingen hebben plaatsgevonden’, zegt evolutiebioloog Matthew Herron van de University of Montana. Samen met wiskundig bioloog Michael Doebeli volgde Herron drie populaties Escherichia coli-bacteriën in een labexperiment (Plos Biology, 2013). Bij de start bestond elke populatie uit generalisten die concurreerden om glucose en acetaat. Na twaalfhonderd generaties had elke populatie zich geëvolueerd in twee samenlevende types, ieder fysiologisch toegesneden op één koolstofbron. Uit genoomanalyses blijkt dat in alle drie populaties vergelijkbare – of zelfs identieke – mutaties zijn opgetreden, soms ook op bijna hetzelfde tijdstip. Er lijkt sprake van parallelle evolutie met een zekere voorspelbaarheid, concluderen Herron en Doebeli.

Bijna gelijktijdig heeft een Frans-Amerikaans onderzoeksteam vastgesteld dat bij E. coli ook spontaan antibioticumresistentie tegen rifampicine optreedt als de bacteriën langdurig worden opgekweekt bij 42 in plaats van 37 graden Celsius (BMC Evolutionary Biology, 2013).Uit genoomanalyses van de 114 populaties die tweeduizend generaties lang evolueerden, blijkt dat bij twaalf van de dertien lijnen de antibioticumresistentie is gebaseerd op meerdere vergelijkbare mutaties.

Mutatiepaden
‘Ook hier zie je handtekeningen van parallelle evolutie’, concludeert de Wageningse evolutiebioloog Arjan de Visser, die hierover een commentaar schreef in BMC Biology (2013). Er is volgens De Visser sprake van twee genetische effecten: pleiotropie en epistasie. ‘Dit complexe samenspel vermindert het aantal mutatiepaden waarlangs je via natuurlijke selectie van vatbaar tot resistent kan komen. In die zin maakt het evolutie meer voorspelbaar.’

Bovenstaande twee studies zijn welhaast een georganiseerd eerbetoon aan Richard Lenski. Zijn experiment met twaalf lijnen E. coli-bacteriën in een laboratorium van Michigan State University vierde 24 februari 2013 zijn 25-jarig jubileum. Het lustrum van dit Long Term Evolution Experiment werd gevierd met typische labhumor: een erlenmeyer met feestmuts met bijschrift ‘57204.9 generaties of E. coli evolution and counting’. Het feestje krijgt 15 maart 2013 een Nederlands vervolg als Lenski in Wageningen een eredoctoraat in ontvangst mag nemen.

De 12 E.coli-lijnen van het Lenski-experiment, gefotografeerd bij hun 20 jarig jubileum in 2008. Foto: Brian Baer & Neerja Hajela, Michigan State University.

‘Lenski is zonder twijfel dé pionier in experimentele evolutie. Hij heeft de droomwens van paleontoloog Stephen Jay Gould uit laten komen: de band van de evolutie terugdraaien en opnieuw laten afspelen’, zegt De Visser, die twee jaar als postdoc bij Lenski werkte. Lenski startte in 1988 zijn experiment met twaalf populaties van de E.coli-stam Bc251. ‘Evolutie is net een spel dat geluk en behendigheid combineert, en misschien konden bacteriën me een paar interessante nieuwe spelletjes leren’, zo beschrijft hij zijn beweegredenen (Microbe, 2011). Iedere populatie groeit in 10 milliliter oplossing met glucose als beperkend substraat en ondergaat tijdens een dag ongeveer zeven verdubbelingen of generaties. Dagelijks wordt steeds 0,1 milliliter overgebracht in 9,9 milliliter vers medium. Van de rest gaat af en toe wat in de vriezer: het ‘fossiele archief’ van het experiment.

‘We kunnen die bacteriën laten herleven en vergelijken met levende cellen van verschillende generaties. We kunnen ze zelfs laten concurreren met hun eigen voorouders van duizend generaties eerder’, beschrijft Lenski, die zijn bacteriën liefkozend E. erlenmeyeri noemt. De mogelijkheden om via genoomtechnieken alle successieve mutaties op te sporen en in verband te brengen met fitnessveranderingen en toevallige gebeurtenissen, zijn volgens De Visser de grote ogenopeners van het experiment. ‘Bij darwinvinken en cichliden zie je ook evolutionaire veranderingen optreden, maar je kunt ze niet experimenteel toetsen.’

Citraat-mutant
De grote kers op de taart voor evolutiebiologen was de vondst dat in een erlenmeyer een mutant ontstond die citraat als koolstofbron ging gebruiken. Die stof was in geringe mate toegevoegd als zuurregelaar, mede omdat E. coli per definitie niet op citraat groeit. ‘De mutant proefde in 2003 het verboden fruit en het was goed, heel goed’, beschrijft Lenski. In één flesje in Michigan leven nu twee lijnen die samenleven en hun omgeving verschillend exploiteren. ‘Een van de lijnen overleeft door iets gloednieuws te doen, iets dat zijn voorouder niet kon. Voor mij klinkt dat heel erg naar de oorsprong van soorten’, aldus Lenski.

Experimentele evolutie heeft in de wetenschap inmiddels een vaste plaats veroverd, ook in Nederland. In Wageningen werkt een groep rond De Visser aan diverse schimmel- en bacteriesoorten, Bertus Beaumont in Delft experimenteert met Pseudomonas- en Nitromonas-bacteriën en Danny Rozen werkt in Leiden met Streptococcus-bacteriën. De Visser: ‘We zetten kleine stapjes, maar het uiteindelijke doel is evolutie te transformeren van een beschrijvende naar een voorspellende tak van wetenschap.’

Naschrift: Recent schreef Lenski nog een overzichtsartikel of de historie en toekomst van lange-termijn-evolutie-experimenten met micro-organismen in The ISME Journal (16 mei 2017), een multidisciplinair tijdschrift over microbiële ecologie.

Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Bionieuws 4 van 2 maart 2013.