Evolutie is als het weer: kansrijke mutaties zijn te voorspellen

Omdat evolutie drijft op toeval, lijkt het voorspellen ervan onmogelijk. Toch is het biofysici van AMOLF en het ESPCI in Parijs gelukt om met een model voorspellingen te doen over de evolutie van een groep eiwitten in een E. Coli-bacterie. “Wanneer welk gen muteert, is willekeurig, maar we kunnen wél voorspellen welke volgorde van mutaties kansrijk is, en bij welke mutatievolgorde de evolutie van een organisme stagneert,” vertelt groepsleider Sander Tans, die met zijn collega’s deze nieuwe resultaten publiceert op 13 april in het vakblad Nature Communications.

“Evolutie in een nieuwe omgeving is inherent onvoorspelbaar. Mutaties in genen ontstaan op een willekeurig moment”, zegt Tans. “Daarnaast weet je niet van te voren wat het effect van een nieuwe mutatie is op de taak van een gen in de cel, en wat de rol is van omgevingsfactoren. Laat staan dat we kunnen voorspellen wat het effect is op een heel organisme.”
Belangrijk is bovendien dat verschillende mutaties ook een wisselwerking met elkaar hebben: een mutatie kan op zichzelf ongunstig zijn voor het organisme, maar in combinatie met een mutatie in een ander gen juist een evolutionair voordeel opleveren.

Eiwit-estafette
Tans en zijn collega’s onderzochten het samenspel van mutaties in twee genen in de E. Coli-bacterie. De eiwitten waarvoor deze twee genen coderen, helpen met het detecteren van een suiker in de omgeving van de cel.  Als het suiker aanwezig is, activeert deze het eerste eiwit, en die activeert op zijn beurt dan weer het tweede eiwit, enzovoort. Dit soort detectiesystemen zijn essentieel om bijvoorbeeld op het juiste moment enzymen te activeren die het suiker dan kunnen afbreken, maar spelen ook een rol bij de afbraak van antibiotica. Als ze optimaal werken, levert dit dus een enorm evolutionair voordeel.
“Eerst hebben we een theoretisch model ontwikkeld. We realiseerden ons iets heel simpels eigenlijk: als het eerste gen gemuteerd wordt, dan beïnvloedt dat niet direct de eigenschappen van het tweede gen. En andersom: mutaties in het tweede gen beïnvloeden niet het eerste gen. Op het eerste gezicht lijk je hier niet veel aan te hebben. Maar als je dit combineert met kennis die we al langer hebben over gen-activatie, leidt dit tot specifieke voorspellingen. Bijvoorbeeld dat mutaties in genen aan het einde van de estafette alleen een kans hebben om voordelig te zijn als genen vooraan eerst muteren. Het geeft dus aan dat een specifieke volgorde van mutaties de bacterie vooruit kunnen helpen, terwijl bij andere mutatievolgordes de evolutie stagneert”, aldus Tans.
De onderzoekers testten hun voorspellingen in bacteriën. Eerst werden in twee genen in een detectie-estafette mutaties geïntroduceerd. Op die manier konden de onderzoekers voor elke mogelijke combinatie van mutaties het effect bekijken, en laten zien dat hun voorspellingen klopten.

Evolutionaire weerkaart
Op deze manier lijkt het voorspellen van evolutie een beetje op hoe weerkundigen het weer voorspellen. Zij geven bijvoorbeeld de kans op regen aan. “Het punt is dat een voorspelling niet exact hoeft te zijn, zoals dat wel zo is wanneer je bij het afschieten van een kogel precies voorspelt waar hij zal landen”, zegt Tans. “Deze studie laat zien dat voorspellen van evolutionaire kansen en beperkingen wel degelijk mogelijk is. Dit soort voorspellende inzichten kan van grote waarde zijn. Het zou bijvoorbeeld kunnen helpen de evolutie van bacteriële resistentie tegen antibiotica te beperken, door antibiotica in bepaalde volgordes toe te dienen.”
Ook voor andere organismen kan voorspellen van evolutie op langere termijn misschien mogelijk worden. “Denk bijvoorbeeld aan de vraag of wij zelf nog evolueren en wat daarin de beperkingen zijn”, aldus Tans. “Tot nu toe beschouwen we in evolutionaire vraagstukken vooral de historie en kijken we niet naar wat nog mogelijk of onmogelijk is.”

Referentie
Philippe Nghe, Manjumatha Kogenaru, Sander Tans, Sign epistasis caused by hierarchy within signaling cascades, Nature Communications, 13 April 2018,  Doi: 10.1038/s41467-018-03644-8