Verandering versnelt vastgelopen evolutie

Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en Laboratoire Interdisciplinaire de Physique in Grenoble (Frankrijk) hebben ontdekt dat de evolutie van een bacterie versnelt als de leefomgeving veranderlijk is. Het onderzoek geeft een nieuw inzicht in evolutionaire beperkingen van organismen en het effect van veranderende omstandigheden. Ook zouden wetenschappers deze informatie gericht kunnen gebruiken, bijvoorbeeld door evolutie in te zetten voor biotechnologische doeleinden. Het werk laat echter ook een keerzijde zien: evolutie kan versnellen als dit niet gewenst is. Zo zouden bij afwisselend gebruik van antibiotica bacteriën sneller resistentie kunnen ontwikkelen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 13 november in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.

Volgens Darwins dogma evolueren organismen door geleidelijke aanpassingen; mutatie-na-mutatie. Als verscheidene mutaties geen verbeteringen meer opleveren, loopt de evolutie vast. Dat dit gebeurt, is bekend: een voorbeeld is de trage verandering van vinnen naar poten. Het onderzoek van de groep van Sander Tans laat nu zien dat evolutie versneld kan worden door een veranderende omgeving.

Vastgelopen evolutie
De onderzoekers keken naar mutaties van het eiwit dat bij de bacterie E. coli het suikermetabolisme regelt. Het volgen van evolutie is lastig: de juiste mutaties treden slechts op in enkele bacteriën, en het is heel lastig die uit de  enorme populaties van miljarden bacteriën te vissen. “De essentiële stap in het onderzoek was om van te voren alle mogelijke mutanten van het noodzakelijke eiwit in het lab te maken,” legt onderzoeker Marjon de Vos uit. ‘’Het was een enorm karwei. Maar op deze manier konden we na elke mutatie de evolutie als het ware stilzetten, door het gemaakte exemplaar te bekijken, en zeer nauwkeurig de eiwitfunctie en levensvatbaarheid, of fitness, van de bacterie bepalen in omgevingen met of zonder suiker.’’

De onderzoekers zagen dat in alle constante omgevingen, met of zonder suiker, de evolutie al na een aantal mutaties vastloopt. De evolutie is voor te stellen als een pad, dat uitkomt op de piek van een berg. Het pad gaat omhoog als de suikerdetectie beter wordt, en daardoor de fitness hoger. Daarentegen gaat het pad omlaag door mutaties die de detectie verslechteren. Echter, omdat alleen ‘betere’ bacteriën de natuurlijke selectie overleven, blijft de evolutie op de piek steken. Hoewel er nog hogere pieken in het landschap zijn, zijn deze onbereikbaar. Kortom, de evolutie loopt vast.

Veranderingen in de omgeving
Vervolgens zagen de onderzoekers dat evolutie wel mogelijk was, als de aan- of afwezigheid van de suiker steeds veranderde. De pieken waren dalen geworden, en de dalen pieken. Door deze verassende omkering konden bacteriën die waren vastgelopen op een piek, weer door-evolueren na een omgevingsverandering die hen in een dal plaatste, waardoor ze weer door konden naar de volgende piek. Dus waar evolutie vertraging oploopt en vastloopt in een constante omgeving, kunnen afwisselende omgevingen ervoor zorgen dat evolutie toch door kan gaan, en zelfs versneld kan worden.

Het onderzoek werd gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), en deels door NWO Aard- en Levenswetenschappen (ALW), project 863.14.015.

Referentie
Breaking evolutionary constraint with a tradeoff ratchet, M.G.J. de Vos, A. Dawid, V. Sunderlikova, S.J. Tans, PNAS, november 2015