Ewolucja ukryta w pełnym świetle

Dwadzieścia pięć lat temu Richard Lenski użył jednego mikroba, do stworzenia dwunastu linii bakterii. Karmił każdą linię ubogą dietą glukozową i bakterie przystosowały się do życia w jego laboratorium w Michigan State University. (Tutaj zebrałem kilka artykułów, które napisałem przez te lata o 58 tysiącach pokoleń Long-Term E. coli Evolution Experiment.)

W 2003 r. zespół Lenskiego zorientował się, że zdarzyło się  coś zupełnie niespodziewanego. Jedną z cech charakterystycznych Escherichia coli jako gatunku jest to, że kiedy ma dostęp do tlenu, nie może przyswajać cytrynianu. Pewnego dnia jednak probówka zmętniała od eksplozji E. coli, które właśnie zaczęły go przyswajać. Zmiana była tak głęboka, że może to oznaczać, iż te bakterie wyewoluowały w nowy gatunek.

Przez minione 11 lat naukowcy próbowali rozgryźć problem, jak bakterie zdobyły tę zdolność przyswajania sobie cytrynianu. Na szczęście, rozpoczynając eksperyment, Lenski postanowił zamrażać ewoluujące bakterie co 500 pokoleń. Dzięki temu on i jego współpracownicy mogli „wskrzesić” mikroby-przodków, zsekwencjonować ich genomy i zbadać ich biologię w poszukiwaniu wskazówek.

Przez dwa lata przeglądali zamrożoną historię przyswajania cytrynianu i odkryli ważny krok w tej ewolucji. Dotyczył on genu o nazwie citT.

Gen citT koduje białko, które pozwala E. coli przyswajać cytrynian przy niskich poziomach tlenu. Białko to znajduje się na błonie mikroba i pomaga ściągać cząsteczki cytrynianu ze środowiska. W miarę jednak ściągania cytrynianu, wypompowuje inną cząsteczkę – bursztynian. Wciąganie i wypychanie tych dwóch cząsteczek pomaga utrzymywać równowagę chemiczną komórki.

Mały odcinek DNA obok citT służy jako przełącznik. Jeśli mikrob wykrywa tlen, białko chwyta ten odcinek i zamyka citT. Mikrob nie przyswaja już cytrynianu i zamiast tego odżywia się lepszym źródłem energii, takim jak glukoza.

Naukowcy odkryli, że mniej więcej po 31,5 tysiącach pokoleń mikrob, który kopiował swój DNA w celu podzielenia się, popełnił wielki błąd. Przypadkowo zrobił dodatkową kopię odcinka DNA. Tak się złożyło, że ten odcinek zawierał dwie kopie citT. Mikrob wstawił kopie obok oryginalnej, więc jedna z jego komórek potomnych ma teraz dwie kopie citT.

Ten rodzaj duplikacji genów zdarza sie od czasu do czasu we wszystkim, co żyje. Także ludzki DNA regularnie jest tak kopiowany. Może to prowadzić do ważnych zmian, ponieważ te dwie kopie mogą zacząć robić dwie różne rzeczy. To właśnie zdarzyło się E. coli. W eksperymencie Lenskiego nowa kopia citT wylądowała obok nowego odcinka DNA, który kontroluje geny w inny sposób. Zamiast zamykać gen w obecności tlenu, trzyma je zawsze w stanie aktywności. Dzięki tej mutacji citT bakterie mogły zacząć odżywiać się cytrynianem w pełnym tlenu laboratorium Lenskiego.

Naukowcy odkryli jednak, że ta mutacja jest tylko częścią całej historii. Mutacja citT pozwoliła bakteriom na rośnięcie na cytrynianie, ale tylko powoli. Dopiero po kolejnych 1500 pokoleń odżywiająca się cytrynianem bakteria zaczęła rosnąć wystarczająco szybko, by zdominować swoją probówkę.

Naukowcy odkryli, że podczas tych 1500 pokoleń bakterie popełniły więcej błędów kopiowania, zamieniając nowy gen citT w cztery duplikaty. Te dodatkowe kopie umożliwiły bakteriom produkowanie więcej ściągającego cytrynian białka. Między pokoleniami 31500 a 33 000 powstały jednak inne mutacje i naukowcy nie mieli żadnego sposobu dowiedzenia się, czy one także były ważne.

Okazało się, że historia ma wcześniejszy rozdział. Naukowcy wrócili na sam początek zamrożonego archiwum i odmrozili kilku przodków bakteryjnych. Wstawili wyewoluowane geny citT w przodków i stwierdzili, że mikroby nie potrafiły przyswajać cytrynianu. A więc sam wyewoluowany gen citT nie wystarczał do zamiany mikroba w zjadacza cytrynianu.

Zrobili następnie to samo z bakteriami po 20 tysiącach pokoleń i uzyskali inny rezultat. Kiedy te bardziej wyewoluowane bakterie otrzymały gen citT, potrafiły przyswajać cytrynian. Taki wynik sugerował, że wcześnie w ewolucji bakterii nabyły one mutację, która później pozwoliła im na odżywianie się cytrynianem.

Reasumując: naukowcy mieli teraz historię w trzech częściach. Do pokolenia 31500 była to historia mutacji wstępnych. Potem przyszła wielka duplikacja citT. Następnie przyszły udoskonalające mutacje, które prowadziły do dominacji nad światem w pokoleniu 33000. (Światem, w tym wypadku, była szklana probówka).

Aby odczytać tę historię ze wszystkimi szczegółami, naukowcy musieli zrozumieć porządek, w jakim powstawały wszystkie mutacje, krok po kroku. Musieli także zrozumieć, jak każda mutacja dawała nowy rodzaj organizmu.

Mimo starannie kontrolowanych warunków eksperymentu, był to diabelnie trudny problem. Do czasu, kiedy bakterie wyewoluowały we w pełni odżywiający się cytrynianem rodzaj w pokoleniu 33000, nabyły 79 mutacji, których nie mieli ich przodkowie. Mogły one pomagać wczesnym bakteriom w lepszym wzroście na pożywce z glukozy. Niektóre mogły nie wywierać w ogóle żadnego wpływu na bakterie.

Molekuły wewnątrz bakterii Escherichia coli

Jednym z naukowców badających zjadaczy cytrynianu był doktor Jeffrey Barrick. W 2011 r. przeniósł się na University of Texas i założył własne laboratorium, gdzie kontynuował badania nad zjadaczami cytrynianu, rozwijając nowe metody, by wydobyć historię ich ewolucji.

Wraz z współpracownikami stworzył nową metodę genetycznego modyfikowania bakterii w celu identyfikowania mutacji, które były absolutnie niezbędne do pełnego odżywiania się cytrynianem. Zestawiali części genomu bakterii odżywiających się cytrynianem z genomem przodków i wrzucali te hybrydy na szalki, gdzie był tylko cytrynian do jedzenia.

Większość zagłodziła się na śmierć. Ale kilka urosło. Naukowcy wyłowili hybrydy, które przetrwały i wstawili części ich DNA do bakterii przodków. Runda za rundą eksperymentowania pozwoliła im namierzyć zasadnicze segmenty potrzebne do rośnięcia na cytrynianie. W końcu znaleźli właściwe mutacje.

Było ich dziwacznie mało.

Jeden z wyników nie był wielką niespodzianką. Barrick i jego współpracownicy odkryli, że w celu odżywiania się cytrynianem z maksymalnym apetytem, bakterie potrzebowały kopii ze zmienionymi genami citT.

Ale, jak Barrick informuje w niedawnym artykule, znaleźli tylko jedną jeszcze zasadniczą mutację.

Ta mutacja dotyczy genu o nazwie dctA. Kiedy naukowcy wstawili wyewoluowane wersje citT i dctA w mikroba-przodka, stał się w pełni zjadaczem cytrynianu. Żaden z tych genów nie mógł osiągnąć takiego wyniku bez tego drugiego. I nie potrzeba było żadnego innego genu do tej metamorfozy.

To odkrycie skłoniło naukowców do bliższego przyjrzenia się genowi dctA. Koduje on inne białko błony, które jest odpowiedzialne za pompowanie cząsteczek do wewnątrz i na zewnątrz mikroba. Podczas gdy citT pompuje bursztynian z mikroba, dctA pompuje go do mikroba.

Barrick i jego współpracownicy podejrzewali, że ewolucja nowego rodzaju genu dctA pozwoliła bakterii na utrzymanie podaży bursztynianu, który jest potrzebny, by mogła przyswajać cytrynian. Razem mutacje w citT i dctA zamieniły zmutowane mikroby w zwycięzców.

Co pozostawia rolę wszystkich pozostałych mutacji w mrokach tajemnicy. W nowym badaniu żadna z mutacji, które pojawiły się przed pokoleniem 315000 nie okazała się zasadnicza dla zjadaczy cytrynianu. Nie wykonały w żaden istotny sposób prac wstępnych. Niemniej, poprzednie badania wskazywały, że na coś się zanosiło przed tym pokoleniem.

Przy takich wynikach Barrick i jego współpracownicy mieli niewiele pomysłów na to, co działo się przedtem. Jest możliwe, że dobór naturalny faworyzował jakąś wczesną, tajemniczą mutację, ponieważ pomagała ona bakteriom rosnąć na ich normalnej odżywce z glukozy. Jako produkt uboczny, pomogła zbudować niewielki zapas bursztynianu. Ten bursztynian okazał się być bardzo przydatny później, kiedy mutacji uległ citT. Teraz bakterie miały dosyć bursztynianu (lub jakiejś spokrewnionej cząsteczki) do wypychania, kiedy wciągały cytrynian. Gdyby mutacja citT powstała przed tymi mutacjami, bakterie mogłyby być niezdolne do odżywiania się cytrynianem. A potem przybyła mutacja dctA, gwałtownie przyspieszając odżywianie się cytrynianem.

Skontaktowałem się z Lenskim, który nie był współautorem pracy Barricka, żeby dowiedzieć się, co sądzi on o tych wynikach. „Uwielbiam fakt, że ta praca pokazuje, jak złożona potrafi być ewolucja – odpowiedział – nawet u jednego małego gatunku w malutkim świecie w probówce przez zaledwie dwa dziesięciolecia”.

 (For more on E. coli’s strange scientific history, see my book Microcosm.)

Evolution hidden in plain sight

Tłumaczenie M.K.

___________
Carl Zimmer

Wielokrotnie nagradzany amerykański dziennikarz naukowy publikujący często na łamach „New York Times” „National Geographic” i innych pism. Autor 13 książek, w tym „Parasite Rex” oraz „The Tanglend Bank: An introduction to Evolution”. Prowadzi blog The Loom publikowany przy „National Geographic” .