Evolutie in een flesje

's Werelds langstlopende proef op het gebied van de experimentele evolutie levert verrassende resultaten. `Na 20.000 generaties lijken twee apart geëvolueerde stammen meer op elkaar dan op hun gemeenschappelijke voorouder!'

Meer dan dertigduizend generaties bacteriën heeft de Amerikaanse evolutiebioloog Richard Lenski inmiddels verzameld in twee grote diepvriezers in zijn lab aan de Michigan State University. Ruim vijftien jaar is het een dagelijkse routineklus: het overzetten van twaalf bacteriestammen naar een fles met een verse suikeroplossing, zodat ze opnieuw kunnen groeien. Doordat de bacteriën zich telkens blijven delen, en elke verdubbeling van de populatie als een nieuwe generatie telt, levert dat 6,6 nieuwe generaties per dag op.

De twaalf stammen komen voort uit één exemplaar van de darmbacterie Escherichia coli, waarmee Lenski zijn experiment in 1988 begon. Elke honderdste generatie bewaart hij door hem in te vriezen bij -80 °C (vanaf de 2500ste generatie met tussenpozen van 500 generaties). De Amerikaan, die ooit zijn wetenschappelijke carrière begon als insectenkundige, heeft zich nu geheel bekeerd tot de micro-organismen. Haast liefkozend spreekt hij over zijn bacterieverzameling als zijn `frozen fossil record'. ``We beschikken over zowel de oerstam als over alle opeenvolgende generaties. Dat is uniek. Voor het eerst kunnen wij nu een actuele en ononderbroken evolutionaire stamboom opstellen.''

Vorige week was Lenski hoofdspreker op het congres `Current Themes in Ecology' in Wageningen. Graag citeert hij een beroemde passage uit het boek Wonderful Life van de in 2002 overleden evolutiebioloog Stephen Jay Gould. Gould heeft het over een hypothetisch experiment dat zou moeten laten zien hoe de evolutie te werk gaat: `replaying life's tape'. Hij zou de band van het leven willen terugspoelen en alles wissen wat is gebeurd om vervolgens de evolutie zich te laten herhalen. Door het resultaat te vergelijken met het origineel zou duidelijk worden of de richting van de evolutie bepaald wordt door het lot, of dat evolutie voorspelbaar is. `The bad news is that we can't possibly perform the experiment', merkt Gould dan op.

``Dat zag Gould toch verkeerd'', zegt Lenski met lichte triomf in zijn stem. ``Want met bacteriën kun je in relatief korte tijd de evolutie over een flink aantal generaties bestuderen. Wij zien zo precies wat er in de loop van de evolutie verandert. En omdat we verschillende stammen parallel laten evolueren zijn we nu ook in staat Goulds vraag beantwoorden of de evolutie voorspelbaar is en altijd tot hetzelfde resultaat leidt.''

oerstam

De verrassende uitkomst van Lenski's experiment is dat de evolutie er inderdaad toe neigt telkens met min of meer dezelfde oplossing te komen. De twaalf stammen die gedurende 20.000 generaties apart van elkaar evolueerden lijken qua uiterlijk en gedrag sterk op elkaar, ondanks het feit dat zij flinke veranderingen hebben ondergaan ten opzichte van de oerstam. In elke lijn zijn de bacteriën twee keer zo groot geworden en hebben ze allemaal het zelfde vermogen ontwikkeld veel efficiënter op glucose te groeien - of ze nu een hoge mutatiesnelheid hadden of een lage.

Lenski: ``De geëvolueerde stammen zijn dus min of meer hetzelfde. Dat is wat ik probeer te benadrukken. Toch is de vraag of de evolutie voorspelbaar is niet met een simpel ja of nee te beantwoorden. Er zijn namelijk ook een paar opmerkelijke verschillen tussen de stammen. Eén van de twaalf populaties heeft zich bijvoorbeeld spontaan gesplitst in twee verschillende typen van cellen, een grote en een kleine die ieder een eigen levenswijze hebben. Desondanks verbaast het mij meer dat de evolutie zich herhaalt, dan dat hij dat soms niet doet.''

Het evolutie-experiment leverde Lenski en zijn medewerkers in de loop der jaren al meer dan tien publicaties op in vooraanstaande wetenschappelijke tijdschriften. Dat stapeltje artikelen geeft bij elkaar een bijzonder kijkje in de keuken van de evolutie. In een experiment waarbij Lenski, zoals hij het zelf zegt, ``de fossielen met elkaar liet concurreren'' ontdekte hij dat de gemiddelde groeisnelheid van de E. coli-bacteriën in de glucose-oplossing na 20.000 generaties met 70 procent was toegenomen ten opzichte van de oerstam (Nature, 12 juni 1997). De grootste veranderingen bleken al binnen de eerste 2000 generaties hun beslag te hebben gekregen. Daarna zakte het tempo van verbeteringen in, hoewel er ook tegen het einde van de bestudeerde periode nog vooruitgang was. Opvallend was ook dat elk van de geëvolueerde stammen ongeveer even goed was aangepast aan het leven op alleen glucose als voedingsstof.

Maar bacteriën verliezen hun flexibiliteit wanneer zij zich eenzijdig aanpassen op glucose. Samen met zijn postdoc Vaughn Cooper testte Lenski hoe goed de diverse generaties bacteriën konden groeien op andere suikers dan glucose (Nature, 2 okt 2000). Naarmate de evolutie vorderde bleken de bacteriestammen steeds minder goed in staat om ook alternatieve suikers te gebruiken voor hun energievoorziening.

Lenski: ``Ecologen zijn zich al lang bewust van dit zogeheten `use it or loose it'-fenomeen. Een klassiek voorbeeld zijn grotvissen, die altijd ondergronds leven en bijgevolg hun gezichtsvermogen hebben verloren. Darwin opperde – ook al wist hij nog niets van genetica – al twee verklaringen voor het blind zijn van grotvissen. Ten eerste zou je je kunnen voorstellen dat het goed is om geen ogen te hebben, omdat ogen geïnfecteerd kunnen raken, kwetsbaar zijn voor verwondingen, met andere woorden, ze zijn kostbaar. Door de natuurlijke selectie raak je zaken kwijt die je niet nodig hebt. Een tweede verklaring is dat de ogen simpelweg vervallen omdat ze niet worden gebruikt.

``De hedendaagse populatiegenetica heeft die vroege ideeën geformaliseerd in twee hypotheses. De ene gaat uit van zogeheten antagonistische pleiotropie oftewel `trade-offs'. Dat wil zeggen dat dezelfde mutaties die je succesvol maken in de ene omgeving, je minder geschikt maken voor andere omstandigheden. Daar tegenover staat de hypothese van de mutatie-accumulatie. Dat betekent dat als bacteriën floreren in een bepaalde omgeving, de `ongebruikte' genen er niet zoveel toe doen. Zij vervallen in de loop der tijd doordat er willekeurige mutaties in optreden die hun functie verstoren.''

Lenski vond sterke aanwijzingen dat in de evoluerende E. coli-bacteriën het `trade off'-principe in het spel was, en niet de mutatie-accumulatie. Hij leidde dat af uit het gedrag van vier van de twaalf stammen, waarin een mutatie bleek te zijn opgetreden in het DNA-reparatiemechanisme. Als gevolg daarvan kunnen deze bacteriestammen andere spontane mutaties in het DNA niet meer zo efficiënt herstellen, waardoor deze zogeheten `mutator'-stammen een mutatiesnelheid ontwikkelen die wel honderd keer hoger ligt dan die van de voorouder en die van de acht overige stammen. Die hogere mutatiesnelheid heeft echter geen merkbaar effect gehad op het functioneren van deze bacteriën. De mutators hebben niet veel meer ongebruikte genen verloren dan andere stammen. Lenski: ``Dat suggereert dat het verlies van functies niet het gevolg kan zijn van een opeenhoping van willekeurige mutaties. Als extra bewijs voor het optreden van trade off konden we in een aanvullend experiment laten zien dat het verloren gaan van het vermogen om de suiker ribose te verteren, het vermogen om glucose te gebruiken verbetert.''

Met behulp van zogeheten DNA-microarrays, die de activiteit van alle 4290 genen van E. coli tegelijk in beeld kunnen brengen, bestudeerden Lenski en zijn medewerkers welke functionele veranderingen waren opgetreden gedurende de evolutie over 20.000 generaties (Proceedings of the National Academy of Sciences, 4 febr 2003). In de twee geëvolueerde stammen die zij op deze manier onderzochten vonden zij dat de activiteit van 59 genen significant was veranderd. En opmerkelijk genoeg waren die 59 in die twee stammen allemaal in dezelfde richting veranderd, dat wil zeggen actiever of juist minder actief. Ook hier lijkt de evolutie dus weer parallel te lopen. Lenski: ``Als gevolg van die parallelliteit lijken de twee apart geëvolueerde stammen, die dus feitelijk 40.000 generaties uit elkaar liggen, meer op elkaar dan op hun gemeenschappelijke voorouder!''

Omdat het onderzoek met microarrays vrij kostbaar is, heeft Lenski niet alle bacteriestammen kunnen testen, laat staan verschillende evolutionaire stadia. Wel pikte hij er één veranderd gen uit, spoT genaamd, om te kijken wat daar in de andere stammen mee gebeurd was. Het spoT-gen bleek in acht van de twaalf stammen veranderd te zijn, maar de oorzakelijke mutaties in het gen bleken telkens anders. ``Op genetisch niveau zijn er verschillen, maar op celniveau doen die er niet toe omdat zij dezelfde uitwerking hebben.''

glucose

Volgens Lenski is het vooral het milieu dat de richting van de evolutie bepaalt: ``In mijn experiment vonden alle veranderingen plaats in hetzelfde constante milieu met glucose als enige voedselbron. Alle lijnen evolueerden vervolgens op een vergelijkbare manier. Maar als we ze nu zouden overplaatsen naar een andere omgeving zouden ze denk ik weer in een andere richting evolueren.''

Een kleine verandering in de omgeving kan zeer grote veranderingen teweegbrengen in de adaptatie van het organisme, denkt Lenski. ``We hebben bijvoorbeeld experimenten gedaan waarbij we de colibacteriën op maltose in plaats van glucose lieten evolueren. Maltose bestaat uit twee aan elkaar gekoppelde glucosemoleculen. Hoewel beide suikers dus sterk op elkaar lijken zijn de aanpassingen van de bacteriën heel erg verschillend. De lijnen die goed gedijen op glucose groeien heel slecht op maltose, en andersom.''

Toch is ook de omgeving weer niet altijd allesbepalend, zo ondervond Lenski in een recente proef waarbij hij keek naar de evolutionaire adaptatie aan verschillende temperaturen. Lenski: ``We werken met E. coli die normaal bij 37 graden Celsius groeit, dat is de natuurlijke omstandigheid waarin de darmbacterie leeft. Als je deze bacteriën bij een steeds hogere temperatuur laat groeien dan bereik je een punt waarbij ze allemaal doodgaan. Het hangt een beetje af van de stam, bij welke temperatuur dat is. Onze stam groeit nog aardig goed bij 42 °C, maar bij 43 °C gaat hij dood. Eén graad maakt kennelijk veel verschil. Vervolgens lieten we onze lijn evolueren bij 42 °C, met de gedachte dat als de bacterie zich geleidelijk zou aanpassen aan het leven bij deze hoge temperatuur, dat hij dan de temperatuurlimiet zou kunnen opschuiven. Maar tot onze grote verbazing verkregen we bacteriën die wel 40 procent sneller groeiden bij 42 °C, maar die nog steeds doodgingen bij 43 °C. Met andere woorden, hun aanpassing was zo specifiek op die temperatuur dat het hen helemaal niet toleranter maakte voor hitte, zelfs niet een graadje verder. Heel frappant.''

Veelgehoorde kritiek op het experiment van Lenski is dat hij feitelijk alleen kijkt naar micro-evolutie, niet naar macro-evolutie, oftewel de soortvorming waarop de evolutietheorie is gebaseerd. ``Ja, in zekere zin is dit micro-evolutie'', geeft Lenski volmondig toe. ``Het zijn kleine organismen en de tijd- en ruimteschalen waarop de bestudeerde evolutionaire veranderingen optreden zijn klein. Wij kijken eigenlijk naar niet meer dan een druppeltje in de oceaan van de evolutie. Maar aan de andere kant, alle variatie die wij zien moet zijn ontstaan tijdens het experiment. Er was geen oorspronkelijke variatie omdat we zijn begonnen met één enkele haploïde cel voor elke populatie. Elke verandering is dus nieuwe variatie die in loop der tijd is ontstaan.''

soortvorming

Bovendien denkt Lenski dat hij toch iets op het spoor is dat op soortvorming lijkt. ``De meeste van de twaalf populaties zijn microevolutionair in die zin dat het een enkele lijn van bacteriën is die voordelige mutaties en soms neutrale mutaties heeft verzameld. De bacteriën hebben zich aangepast door natuurlijke selectie, maar ze zijn nog altijd dezelfde soort. Maar in die ene populatie, waarin twee typen bacteriën zijn ontstaan, kan je volhouden dat deze twee typen zich in ecologische zin gedragen als twee nieuwe soorten. Ze zijn in staat om de omgeving op te delen en naast elkaar te leven.

``In de evolutie definiëren we aparte soorten als zij niet kunnen kruisen. Dat geldt voor alle dieren en voor de meeste planten. Maar bij bacteriën is het een ander verhaal, daar kun je dat concept niet gebruiken. Voor bacteriën geldt daarom het criterium dat de organismen op een andere manier leven. En dat is hier in een experiment dat minder dan vijftien jaar heeft geduurd is dat duidelijk het geval. En de splitsing vond al vrij vroeg plaats, ergens in de eerste twee jaar van het experiment. In hetzelfde flesje met een suikeroplossing hebben we nu twee soorten bacteriën die op een duidelijk verschillende manier leven. Gedurende duizenden generaties zijn deze soorten naast elkaar blijven leven. Dus in een experiment dat we zo eenvoudig mogelijk probeerden te houden, is spontaan een ecologische complexiteit ontstaan.

``Mijn experiment omvat dus zowel elementen van micro- als macro-evolutie'', concludeert Lenski, die het onderscheid tussen die twee overigens vooral beschouwd als een semantische kwestie. ``Met name de mensen die kritiek hebben op de geldigheid van de evolutietheorie bedienen zich van dit onderscheid. Maar voor zover biologen dat hebben kunnen ontrafelen zijn de processen die de evolutie over miljoenen en miljarden jaren mogelijk hebben gemaakt ook vandaag nog actief: mutatie, selectie en in het geval van seksuele voortplanting recombinatie.''

Lenski heeft `school' gemaakt. Overal herhalen evolutiebiologen zijn proef in uiteenlopende varianten. Hoe lang is de Amerikaan eigenlijk van plan om nog door te gaan met zijn experiment? Lenski: ``Het experiment loopt nu vanaf 1988. Als we zo doorgaan zitten we over een aantal jaar op 50.000 generaties en dan ben ik ergens in de zeventig. Als ik lang genoeg meega, haal ik misschien de honderdduizend. Maar ik hoop dat, als er dan tenminste nog steeds belangstelling bestaat voor het experiment, één van mijn studenten of postdocs het op een bepaald moment over zal nemen.''