Mensen voeren al duizenden jaren onbewust evolutie-experimenten uit door planten, dieren en schimmels te domesticeren. Te beginnen met de baanbrekende experimenten van William Dallinger aan het einde van de 19e ^de eeuw zijn dergelijke experimenten uitgevoerd onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden om de processen en beperkingen van evolutie beter te begrijpen.

Evolutionaire experimenten omvatten over het algemeen het opleggen van een goed gedefinieerde selectiedruk (zoals extreme temperaturen, beperkte voedingsstoffen of de aanwezigheid van een giftige verbinding) op een organisme en vervolgens bestuderen hoe het zich aanpast aan deze nieuwe omstandigheden. Het langstlopende experiment met gecontroleerde evolutie werd in 1998 begonnen door Richard Lenski en gaat tot op de dag van vandaag door, waarbij meer dan 60.000 generaties van de bacterie Escherichia coli betrokken zijn.

Hoewel deze experimenten fundamenteel inzicht hebben verschaft in evolutionaire processen zoals aanpassing, selectie en mutatie, is het duidelijk dat natuurlijke evolutie plaatsvindt onder veel complexere beperkingen. Een nieuwe studie gepubliceerd in Genome Biology and Evolution werpt nieuw licht op de manier waarop laboratoriumevolutie kan verschillen van wat in de natuur gebeurt.

Volgens co-auteur Ruth Hershberg, universitair hoofddocent aan het Technion-Israel Institute of Technology, tonen hun "resultaten aan dat laboratoriumaanpassing, die optreedt als reactie op vrij eenvoudige en sterke druk, vaak kan optreden door mutaties die ofwel niet in de natuur kunnen voorkomen, of zijn zeer voorbijgaand, als ze zich voordoen."

De studie, die co-auteur was van Technion Ph.D. student Yasmin Cohen, probeerde een schijnbare paradox te verklaren die door de auteurs werd opgemerkt toen ze nadachten over de mutaties die werden geïdentificeerd in hun eigen evolutie-experimenten met bacteriën:namelijk dat de eiwitten waarin mutaties het vaakst voorkomen in het laboratorium dezelfde zijn als die welke het meest veranderen langzaam over lange evolutionaire tijdschalen.

Om deze observatie verder te onderzoeken, keken Cohen en Hershberg specifiek naar twee genen die coderen voor het RNA-polymerase-kernenzym (RNAPC), waarvan is aangetoond dat ze betrokken zijn bij aanpassing in veel onafhankelijke laboratoriumevolutie-experimenten in E. coli, de soort die het meest wordt gebruikt voor deze soorten experimenten.

Hun literatuuronderzoek identificeerde adaptieve mutaties op 140 aminozuurposities over deze eiwitten als reactie op 12 verschillende laboratoriumomstandigheden, waaronder blootstelling aan antibiotica, langdurige uitputting van hulpbronnen, groei bij hoge temperaturen en groei in (minimale) media met weinig voedingsstoffen. Verrassend genoeg was er weinig overlap in deze adaptieve sites, met slechts vier van de 140 die onder meer dan één voorwaarde verschenen.

Door deze sites bovendien te vergelijken met de rest van de eiwitsequentie over bacteriële lijnen, ontdekten de auteurs dat niet alleen aanpassing in het laboratorium plaatsvindt via mutaties aan sterk geconserveerde eiwitten, maar zelfs binnen de RNAPC-eiwitten, de aminozuursites die gewoonlijk worden gemuteerd in laboratoriumexperimenten waren ze meestal meer geconserveerd van aard dan andere posities binnen deze eiwitten.

Verdere analyse identificeerde een aantal intrigerende patronen. Posities waarop aanpassing plaatsvond in laboratoriumexperimenten hadden ook de neiging om binnen gedefinieerde functionele eiwitdomeinen te vallen, dicht bij elkaar te clusteren op de eiwitstructuur en vaker dicht bij de actieve plaats van RNAPC te worden gelokaliseerd dan andere plaatsen.

Om te zien of een vergelijkbare dynamiek een rol speelde voor andere eiwitten, keken Cohen en Hershberg naar 19 andere eiwitten die adaptieve mutaties bevatten die verband houden met uitputting van hulpbronnen. Ze ontdekten dat, net als bij de RNAPC-eiwitten, sites die in laboratoriumexperimenten werden geassocieerd met aanpassing, de neiging hadden om beter geconserveerd te zijn onder bacteriën.

Nog interessanter, als we kijken naar de vier selectieve drukken waarvoor voldoende gegevens waren, bleken deze patronen te gelden voor blootstelling aan antibiotica, minimale media en langdurige uitputting van hulpbronnen, maar niet voor groei bij hoge temperaturen. Aanpassingen aan hoge temperaturen vertonen dus geen hogere conservering, zijn niet geclusterd in de buurt van elkaar of de actieve plaats van het complex en zijn niet verrijkt binnen functionele domeinen.

Zoals Hershberg opmerkt, is het onduidelijk hoe vaak deze bevinding voorkomt. "We kunnen er momenteel niet zeker van zijn of aanpassingen aan de meeste omstandigheden zich gedragen als de meeste gekarakteriseerde aanpassingen, waarbij hoge temperatuur een uitbijter is, of dat er veel omstandigheden zijn zonder gegevens die momenteel beschikbaar zijn die meer lijken op wat wordt gezien voor hoge temperatuur."

Wel is duidelijk dat de dynamiek van laboratoriumadaptatie sterk verschilt van die van natuurlijke adaptatie. Dit komt omdat, zoals de auteurs uitleggen, "bacteriën in laboratoriumexperimenten over het algemeen worden blootgesteld aan relatief eenvoudige, sterke en constante selectiedruk. De selectieve druk waarmee wordt geconfronteerd in meer natuurlijke omgevingen is waarschijnlijk veel complexer, met verschillende factoren die tegenstrijdige druk uitoefenen gelijktijdig en/of met selectieve druk die in de loop van de tijd verandert.Aanpassingen van het soort dat zo gemakkelijk ontstaat tijdens laboratoriumevolutie, zijn misschien niet zo gemakkelijk toegestaan ​​in natuurlijke omgevingen...Bovendien, als dergelijke aanpassingen optreden als reactie op een specifieke reeks omstandigheden, zullen ze kan zeer voorbijgaand blijken te zijn, snel afnemend in frequentie zodra de omstandigheden veranderen."

Om deze vragen verder te onderzoeken, gelooft Hershberg dat het "belangrijk zal zijn om te proberen te achterhalen wat deze aanpassingen doen in de context waarin ze adaptief zijn en om hun fitnesseffecten onder verschillende omstandigheden te meten ... een nuttige plek om te beginnen." Belangrijk is dat dergelijke studies nieuw inzicht kunnen bieden in de mechanismen waarmee evolutie plaatsvindt, zowel in het laboratorium als in de natuur. Volgens Hershberg:"Als we de redenen voor deze verschillen begrijpen, kunnen we belangrijke lessen leren over natuurlijke aanpassing." + Verder verkennen

Een overvloed aan gunstige mutaties