Bergen van selectie

Evolutie gaat in kleine stapjes die altijd verbeteringen zijn. Selectie drijft het systeem daardoor snel naar het optimum, ontdekte fysicus Sander Tans. ‘Iets wat moeilijk lijkt, gaat in feite heel makkelijk.’

Sander Voormolen

Een bergachtig landschap van hoge en minder hoge pieken, zo stelt de Amsterdamse fysicus Sander Tans zich de evolutie voor. Tans bestudeert de evolutie van eiwitten; hoe zij door mutaties een nieuwe functie verwerven. De eiwitten beginnen in het dal en als er zich een voordelige mutatie voordoet, gaan zij een stapje omhoog de berg op. Organismen met eiwitten die de hoogste top bereiken, zijn het best aangepast. Zij hebben de hoogste fitness, zoals biologen dat noemen.

De bergachtige evolutiemetafoor is algemeen populair geworden door het boek Climbing Mount Improbable van de Britse evolutiebioloog Richard Dawkins. Evolutie selecteert steeds de best aangepaste varianten en daardoor is de diversiteit van het leven ontstaan. Dawkins doopte de berg ‘Improbable’ (Onwaarschijnlijk) omdat het tegenintuïtief lijkt dat levende organismen door min of meer toevallige mutaties steeds beter aangepast raken en daarmee de top bereiken.

Maar volgens fysicus Sander Tans, die zijn eigen onderzoeksgroep heeft bij het AMOLF-instituut in Amsterdam, komen er nu steeds meer aanwijzingen dat de evolutie naar beter aangepaste vormen veel makkelijker verloopt dan vaak wordt aangenomen. “Ons werk en dat van een aantal anderen heeft een eerste blik op natuurlijke (gemeten) evolutionaire landschappen opgeleverd. Wat blijkt is dat die landschappen vaak zo’n vorm hebben dat het systeem vanzelf naar de juiste weg naar de top geleid wordt. Zo kan het systeem met hoge kans en snel de goede eindvorm vinden. Iets wat moeilijk lijkt, gaat in feite heel makkelijk. ”

fitness-voordeel

Dat klinkt als magie, maar dat is het niet, legt Tans uit. Om snel naar de top te kunnen moet elke nieuwe mutatie een fitness-voordeel bieden ten opzichte van de voorgaande stap. Uit onderzoek van Tans’ groep blijkt dit mogelijk, ook al is de nieuwe mutatie op zich niet voordelig als je naar de eiwitfunctie kijkt. Het sleutelwoord is hier netwerkcompensatie. “Eiwitten werken meestal samen met diverse andere moleculen, in een netwerk. Er blijken mutaties te zijn die tegelijkertijd zowel een positief als een negatief effect hebben op de fitness. Bijvoorbeeld wanneer zo’n mutatie de samenwerking met een moleculaire partner verslechtert en op hetzelfde moment die met een ander verbetert. Dan kan het net zijn dat het voordeel het nadeel overstijgt, zodat de top toegankelijk wordt. Dat de netwerkstructuur bepalend kan zijn voor evolutie is een nieuw inzicht.”

Deze week publiceerde Tans, samen met zijn promovendi Frank Poelwijk en Daan Kiviet en met de Amerikaanse evolutiebioloog Daniel Weinreich van Harvard University, een overzichtsartikel over evolutionaire landschappen in Nature (25 januari). “In het artikel schetsen wij dat we nu eindelijk een aantal basisvragen die Darwin al opriep, kunnen onderzoeken. Het probleem was altijd dat we het proces van variatie en selectie niet direct konden volgen, omdat deze verloren gaan in grote populaties en de complexe genetische code. Wat miste waren de overgangsvormen, de evolutionaire tussenstappen.”

In zijn beroemde boek On the Origin of Species, schreef Darwin al: ‘...why, if species have descended from other species by insensibly fine gradations, do we not everywhere see innumerable transitional forms?’ Dat is het aloude probleem van de evolutiebiologie. Wat we om ons heen zien is het resultaat van soms miljoenen jaren evolutie, maar het proces zelf is veel lastiger waar te nemen.

Daarin komt nu langzamerhand verandering, schrijven Tans en zijn medewerkers in het overzichtsartikel. Op moleculair niveau zijn evolutionaire veranderingen nu stap voor stap te volgen, en kunnen evolutionaire landschappen geconstrueerd worden. Een ander voorbeeld is het onderzoek van Weinreich (Science, 7 april 2006). De Amerikaan beschrijft hoe het bacteriële enzym beta-lactamase zich langzaam aanpast aan het nieuwe antibioticum cefotaxime. Bij de resistentie tegen dit antibioticum zijn vijf verschillende mutaties betrokken. Bacteriën die ze alle vijf hebben zijn 100.000 keer resistenter tegen cefotaxime dan gewone bacteriën. Omdat er verschillende combinaties van deze mutaties mogelijk zijn leidt dit tot 32 mogelijke varianten.

In de evolutionaire geschiedenis gaat het erom in welke volgorde die mutaties zijn aangebracht. Theoretisch zijn er 120 mogelijke ‘paden’ die leiden tot de ‘top’ van een bèta-lactamase met alle vijf mutaties. Daarvan blijken er volgens Weinreich slechts achttien ‘toegankelijk’. Dat wil zeggen: deze voldoen aan de voorwaarde dat elk tussenstapje een resistentere bacterie oplevert dan het vorige. Lang niet al die toegankelijke paden zullen in de praktijk voorkomen, schrijft Weinreich, want er zitten er een paar tussen die per mutatie relatief grote fitnessvoordelen geven. Deze maken grote stappen en zijn dus snel aan de top.

“Het aantal waarschijnlijke paden is daarmee zo overzichtelijk, dat het verloop van de evolutie haast voorspelbaar wordt”, zegt Tans. “Dat wil overigens niet zeggen dat de andere paden tijdens de evolutie niet geprobeerd worden, maar in de selectie overleven ze niet. Wat overblijft zijn de paden met een goede volgorde van mutaties, waarbij elke stap voordelig is. Je zou in bacteriën zelfs ook in de praktijk kunnen meten welke evolutionaire paden worden gevolgd, maar dat is nog niet gedaan.”

Volgens Tans heeft het inzicht dat de evolutie kennelijk vaak dezelfde paden kiest ook gevolgen voor het genetische sequentie-onderzoek en de stamboomanalyse. “Organismen kunnen onafhankelijk met precies dezelfde oplossing komen, maar onderzoekers in dit veld houden daar geen rekening mee. Modern evolutionair onderzoek is heel erg beïnvloed door het sequentie-onderzoek. Gemeenschappelijke voorouders worden geïdentificeerd op basis van het feit dat heel veel basenparen overeenkomen en een paar anders zijn. Dat levert heel mooie evolutionaire relaties tussen soorten.

“Dat is heel krachtig, maar tegelijkertijd wel een heel erg beschrijvende wetenschap. Het geeft geen verklaring voor wat er tijdens de evolutie is gebeurd. Door naar het evolutionaire landschap te kijken weten we pas waarom een bepaald pad is gevolgd.”

optische pincetten

De wetenschappelijke loopbaan van Tans begon in Delft waar hij promoveerde op koolstof nanobuisjes. Vervolgens verlegde hij zijn werkterrein naar de biofysica en bestudeerde hij de bewegingen van biologische eiwitten met optische pincetten. Vijf jaar geleden maakte hij opnieuw een switch, ditmaal naar de evolutiebiologie.

“Tijdens mijn promotieonderzoek in Delft werd ik gedreven door verwondering”, vertelt Tans. “Ik stuitte op een moleculaire wereld die je niet zo maar kon begrijpen. Nu, in de biologie, is die verwondering nog veel groter. Daarmee vergeleken is nanotechnologie peanuts.”

Tans is overigens lang niet de enige fysicus die zich heeft ‘bekeerd’ tot de biologie. “In de helft van dit gebouw gebeurt nu biologisch onderzoek”, zegt hij bij de koffieautomaat in de hal van het AMOLF-instituut. AMOLF staat voor Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica. Van oorsprong is dit een bolwerk van fundamenteel natuurkundig onderzoek dat zich richtte op de dode materie. “Maar nu zijn er zelfs laboratoria, waaronder die van mijn eigen groep, waar levende cellen gekweekt worden.”

Natuurkundigen, ook in het AMOLF, doen veel onderzoek aan de werking van enkele moleculen, vertelt Tans. “Ze bestuderen in geïsoleerde systemen hoe bijvoorbeeld een biologisch eiwit complexe taken kan uitvoeren. Zo leren ze veel over de werking ervan, maar uiteindelijk komen ze altijd weer uit bij de vraag hoe zo’n ingewikkeld eiwit heeft kunnen ontstaan. Evolutie, kortom.”

In het lab van Tans wordt gewerkt aan de experimentele evolutie van regeleiwitten in bacteriën. “Onze experimentele methoden en technieken zijn biologisch, maar onze aanpak, met de focus op modelsystemen, past bij het natuurkundige. We richten ons op de fundamentele mechanismen. Het grappige is dat het daarbij niets uitmaakt of je met natuurlijke of kunstmatige elementen werkt. In ons laboratorium laten we de bacteriën functies evolueren waaraan ze in de natuur niets zouden hebben. Dat soort kunstmatige systemen, die niet meer lijken op de werkelijkheid, zijn heel geschikt om te bestuderen welke generieke processen ten grondslag liggen aan evolutie.”

intelligent design

Tans was ruim tien jaar geleden de eerste promovendus van de Delftse hoogleraar nanotechnologie Cees Dekker. Dekker staat op zijn vakgebied internationaal in hoog aanzien, maar zorgde in Nederland voor opgetrokken wenkbrauwen door openlijk een pleidooi te houden voor Intelligent Design als alternatief voor evolutie. Het leven is in die visie geschapen door een intelligente ontwerper. Tans: “Ik was toen al geïnteresseerd in evolutie. Niet tijdens het werk, maar tijdens reizen naar buitenlandse conferenties, hebben Cees en ik lange gesprekken gehad. We verschilden van levensbeschouwelijke overtuiging, dachten anders over de rol van evolutie, en hebben daarover stevig gedebatteerd. We hebben echter nooit ruzie gemaakt. Wat ons verbond was de grote verwondering over hoe ingenieus de natuur in elkaar zit. Het gemeenschappelijke is rijker dan sommigen denken, en zo kom je tot nieuwe inzichten.

“Cees gelooft niet in het ontstaan van het leven door evolutie alleen, en tegelijkertijd vindt hij ons soort onderzoek wel cruciaal om de kwestie duidelijk te maken. Hij heeft een andere mening, maar is wel voor een open wetenschappelijk debat. Toch blijft hij erbij dat als we iets verder graven, we dan toch op iets van ontwerp zullen stuiten.

“Mijn onderzoek geeft aan dat er oplossingen bestaan die we op het eerste gezicht niet goed herkennen. We zijn geneigd om mechanistisch en rechtlijnig te denken, maar de natuur werkt soms heel anders. Daarin ligt volgens mij de sleutel tot het mysterie dat evolutie dingen voortbrengt waarvan we niet begrijpen hoe het zo ver heeft kunnen komen. Daar heb je geen Intelligent Design voor nodig.”

    • Sander Voormolen