Unutar ambicioznog, 30-godišnjeg eksperimenta dr. Richarda Lenskog

Što nam govori o našem svijetu 60.000 generacija bakterija

Umjetnost: Natalya Zahn

Koliko daleko možete pronaći svoje obiteljsko stablo?

Moja loza postaje nejasna oko moje pete prabake: Rebecca Ellsworth iz New Yorka. Kraljica Elizabeta (očigledno puno bolja rekorderka od mene) može se pratiti do svog 32. pradjeda: kralja Alfreda Velikog od Wessexa. Ali čak i britanski kraljevci teško održavaju korak s Konfucijancima. Potomci ovog kineskog filozofa pomno su pratili više od 80 generacija predaka.

Konfucijeva linija osvaja nagradu za najdugo dokumentiranu rodoslovlje u ljudskom rodu, ali širenje natjecanja na sve oblike života srušava ih na daleku, daleku utrku.

Evolucijski biolog Richard Lenski na Državnom sveučilištu Michigan izvodi eksperiment na skromnoj bakteriji crijeva Escherichia coli od 1988. Budući da su ove bakterije sposobne pokrenuti novu generaciju otprilike svakih 20 minuta u idealnim laboratorijskim uvjetima, Lenski je tim uspio pažljivo nadgledati i čuvaju više od 60 000 generacija roda E. coli.

Nijedna ljudska obitelj ne može se natjecati s genealoškim podacima ovih bakterija ... anatomski moderni ljudi postoje tek oko 12 000 generacija. Gledao sam samo u svoje predake, jer sam želio znati da li potječem od nekoga poznatog (nema takve sreće). Lenski laboratorij ima posve drugačiji cilj. Oni razumiju da svaka generacija uvodi promjene i da je ta postepena promjena osnova kako se cijeli život razvija. Kako se te promjene događaju? Koliko se brzo pojavljuju? Lenski laboratorij koristi ovaj maleni mikrobi crijeva da odgovori na ta velika pitanja.

Richard Lenski s ladicom s tikvicama iz dugogodišnjeg evolucijskog eksperimenta u svom laboratoriju na Michigan State University 26. svibnja 2016. (Fotograf: Zachary Blount)

Istraživači u laboratoriju kontinuirano šire i prate bakterijske kulture. Svakih nekoliko mjeseci (ili otprilike 500 generacija) dio bakterijskih stanica čuva se u zamrzivačima zajedno sa svim precima kao dio "zaleđenih zapisa fosila". Ali to su živi fosili - bilo koja od ovih kultura može se oživjeti za eksperimentiranje i sekvenciranje DNA.

Tijekom njihovog eksperimenta, Lenski tim uočio je neke uzbudljive promjene. U jednom krajnjem primjeru primijetili su evoluciju potpuno nove osobine: sposobnost probavljanja nove vrste hrane.

Eksperiment je započeo s 12 malo različitih populacija, ili sojeva E. coli, koji su svi u početku nastali iz jedne stanice i svi upotrijebljeni glukoza prisutna u juhi kao jedini izvor ugljika za energiju. Znanstvenici su uzgajali te sojeve u juhi koja je sadržavala samo malo glukoze, ali (iz tehničkih razloga) imalo je puno citrata. Citrat je sličan glukozi, ali niti jedan od sojeva E. coli ne bi mogao metabolizirati citrat na način na koji su radili glukozu. U okruženju sa malo glukoze ti su mikrobi gladovali.

Oko 31 000 generacija kasnije, 11 od 12 sojeva se još uvijek oslanjalo samo na glukozu kako bi se energija razmnožavala, ali jedan je soj razvio sposobnost i jesti citrat. Slijedom toga, ove bakterije koje koriste citrat mogle su rasti puno bolje u mediju siromašnom glukozom / citratima nego u svojih 11 sojeva sestre. Ta da! Evolucija se dogodila upravo tamo na vrhu klupe, a jednostavno otvaranje vrata zamrzivača moglo bi otkriti točno kada i kako su se te promjene dogodile. Koristeći njihov zgodan zapis o smrznutim fosilima, istraživači su oživjeli pretke u lozi koji su stvorili bakterije koje jedu citrate i pokazali korake koji su potrebni da bi se došlo do ove nove osobine.

Ljudi su iskusili evolucijske promjene u onome što možemo, a ne možemo i probaviti. Postojanost laktaze, sposobnost odraslog čovjeka da probavi mliječni šećer laktozu u, recimo, litri sladoleda ako joj je to drago, evoluirala je relativno nedavno. Većina sisavaca može probaviti laktozu samo kao novorođenčad, ali neke populacije ljudi zadržavaju ovu sposobnost cijeli život. Ne možemo oživjeti i slijediti stotine generacija ljudi, pa je teže odrediti specifičnosti, ali procjenjuje se da je postojanost laktaze prvi put nastala prije otprilike 7500 godina (~ 300 ljudskih generacija), ubrzo nakon što su ljudi shvatili kako pripitomiti stoka (go figura).

Dakle, odakle dolaze ove nove osobine? Lenskijevo istraživanje E. coli podupire ideju da nove osobine nastaju iz pravih kombinacija nasumičnih genetskih promjena koje se, iako izuzetno rijetko, događaju s obzirom na dovoljno vremena. Neke mutacije DNA uopće ne uzrokuju očigledne promjene u organizmu. Ostale mutacije nevjerojatno su štetne, poput mutacija ljudskog gena BRCA1 zbog kojih su neki ljudi osjetljivi na karcinom dojke. Ali jednom u vrlo dugo vrijeme događaju se blagotvorne genetske promjene koje organizam čine ljepšim, sretnijim, produktivnijim ... svaka nova generacija ima priliku istražiti nova poboljšanja.

Mutacije DNA odgovorne za nove osobine događaju se nasumično, čak i kad nema pritiska odabira. Na primjer, vaše crijevo sadrži bakterije otporne na antibiotike. Otpornost na antibiotike je osobina koju daju geni, koji stalno doživljavaju slučajne mutacije. Ako ste zdravi i ne uzimate nikakve antibiotike, te rezistentne bakterije nemaju prednost u odnosu na bilo koji drugi soj. Ostaju, ali u malom broju u odnosu na sve prisutne bakterije. Jednom kada započnete liječenje antibioticima, ovi mutanti imaju prednost. Ako svi ostali budu ubijeni, mogu napredovati, „pomesti se“ kroz populaciju i zamijeniti druge sojeve.

Prepoznavanje drugih pokretača i posljedica evolucije mikroba aktivno je područje istraživanja koje presijeca medicinu i evolucijsku biologiju. Mikrobi imaju snažne učinke na zdravlje svog domaćina, ali nemaju ista ograničenja kao i njihovi domaćini. Razmnožavaju se mnogo brže, postoje u znatno većem broju, pa čak i mijenjaju gene na način na koji ih ljudi ne mogu. Oni nam, kao što pokazuje rad Richarda Lenskog, pomažu umotati mozak primata oko naizgled nemogućeg zadatka razumijevanja kako evolucija zapravo djeluje.

Sam Darwin svojom je trakom i kolekcijom kljuna ptica mogao samo pokazati da se evolucija događa. Shvatiti kako se to događa i što bi nam moglo donijeti sljedeće, zadatak je ove generacije - uz pomoć mikroba. Možda će jednoj osobi biti teško shvatiti da je evolucija neprekidni proces, ali imajte na umu da je jedna godina vašeg života mnogo mogućnosti za vaše mikrobiome i za vas.

I Contain Multitudes višedijelna je video serija posvećena istraživanju prekrasnog, skrivenog svijeta mikrobioma.