De evolutie van een bacterie betrapt in het lab

Dat bacteriën zich optimaal aanpassen aan hun omgeving namen biologen aan, maar was nooit experimenteel aangetoond. Nu wel, in het natuurkundelab.

Evolutie via toevallige mutatie en selectie van DNA blijkt snel de weg naar de optimale aanpassing te vinden. Dat blijkt uit een experiment van natuurkundigen van het Amsterdamse AMOLF-instituut waarbij zij een colibacterie zodanig manipuleerden dat hij precies verkeerd reageert op prikkels uit zijn omgeving. De bacterie groeit aanvankelijk haast niet en legt bijna het loodje. Maar dan duiken er voordelige mutaties op waardoor het micro-organisme steeds beter op zijn omgeving kan reageren. Na 72 generaties blijkt de bacterie de optimale aanpassing te hebben gevonden, waarbij zij precies tegenovergesteld reageert op omgevingsprikkels dan bij het begin van de proef.

Dat bacteriën zich snel genetisch aanpassen aan hun omgeving, is vaak een aanname in de evolutiebiologie. Maar het kale experiment dat zou laten zien dat de evolutie van een gen door willekeurige mutaties in staat is de optimale respons op de omgeving te vinden, was nog nooit gedaan.

„Dat verbaasde ons ook”, zegt biofysicus Sander Tans. „Ik denk dat het komt doordat biologen vaak binnen een vakgebied blijven. Ecologen kijken naar de reactie van bacteriën op verschillende milieus, maar zonder kennis te hebben van de onderliggende genetica. Moleculair biologen kijken juist alleen naar die genen, en hebben minder aandacht voor de omgeving.”

Als natuurkundige kijkt Tans graag naar eenvoudige systemen, die hij volledig kan doorgronden. „De wisselwerking tussen verschillende natuurlijke genen in bacteriën is voor de huidige wetenschap nog veel te complex om volledig begrepen te worden.”

Samen met zijn medewerkers Marjon de Vos en Frank Poelwijk bedacht Tans een experiment waarmee ze precies zouden kunnen volgen hoe evolutie op het niveau van één gen verloopt in reactie op een variabele omgeving. Doelbewust zetten de onderzoekers de bacterie op een evolutionair dood spoor door deze uit te rusten met genetische instructies die haar precies verkeerd lieten reageren op prikkels uit de omgeving. Een zogeheten regelgen was hier de boosdoener; het controleerde twee andere genen die cruciaal waren voor de vitaliteit van de bacterie: een polymerisatiegen en een antibioticumresistentiegen. De onderzoekers ontwierpen de proef zo dat de bacterie in suikerrijke milieus polymeren ging maken die het organisme verstikten en in milieus met een antibioticum juist niet het resistentiegen hadden aanstaan. Zou het organisme zich daaruit een uitweg weten te vinden?

Door de analyse van de basenvolgorde van alle verschillende generaties konden de onderzoekers precies zien wat er gebeurde in het DNA van het maladaptieve regelgen. Uiteindelijk bleken drie mutaties essentieel om de bacterie van helemaal onaangepast tot optimaal aangepast te maken. Maar de weg vanuit het dal naar de top (optimaal aangepast) bleek niet zonder haperingen. De evolutie verliep eerst snel, maar bleef dan even ‘hangen’. Na een paar generaties brak de bacterie door die grens, en verliep de evolutie naar het optimum weer snel.

Een van de drie essentiële mutaties bleek direct voordeel te geven, en dat bracht de bacteriën meteen tot de grens. Maar de andere twee mutaties bleken alleen voordelig te zijn als zij tegelijkertijd optraden, ieder afzonderlijk zijn zij niet voordelig. Dat verklaart het dralen bij de grens; pas bij dubbel gelukkig toeval konden de bacteriën daar doorheen breken.

Het onderzoek werd vorige week gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell, een hele eer vindt Tans. „Onder moleculair biologen staat Cell hoger aangeschreven dan Science en Nature. Ik ben er trots op wij daar als natuurkundigen een plaatsje tussen veroverden.”

Naar aanleiding van zijn laboratoriumproeven raakt de biofysicus vaak verzeild in discussies over nature or nurture, zijn eigenschappen bepaald door het DNA of door de omgeving? Tans: „In dit geval is het dus door allebei! Uit het experiment blijkt dat de bacteriën de spiegel van hun omgeving zijn. Met andere woorden, de genen in hun DNA sluiten precies aan op de omstandigheden van de omgeving.”