Εξέλιξη εν δράσει: το πείραμα των 67000 γενεών Understand article

Μετάφραση από: Ζωή Χασαποπούλου (Zoi Chasapopoulou) – Φοιτήτρια Μοριακής Βιολογίας και Γενετικής, ΔΠΘ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος,…

Ως εξελικτικός βιολόγος, μου αρέσει να σκέφτομαι ότι η μελέτη της εξέλιξης είναι παρόμοια με τη μελέτη των αστεριών. Κανένας αστρονόμος δεν ζει αρκετά, ώστε να παρατηρήσει ένα αστέρι να γεννιέται, να μεγαλώνει και να πεθαίνει. Ο Ήλιος, για παράδειγμα, έχει έναν κύκλο ζωής περίπου 10 δισεκατομμυρίων (10¹⁰) χρόνων- μια κλίμακα χρόνου άνευ αναλογίας με την ανθρώπινη ζωή. Όμως, καθώς το Σύμπαν είναι γεμάτο με αστέρια, εκατομμύρια από αυτά μόνο στο Γαλαξία μας (Milky Way), οι αστρονόμοι μπορούν να παρατηρήσουν πολλά αστέρια σε διαφορετικά στάδια του κύκλου της ζωής τους. Από αυτές τις παρατηρήσεις, μπορούν να συγκεντρώσουν αρκετά δεδομένα, ώστε να βρουν τα διαφορετικά στάδια της ζωής ενός αστεριού και να χαρτογραφήσουν ολόκληρη την εξέλιξή του.

Οι εξελικτικοί βιολόγοι δεν ζουν περισσότερο από τους αστρονόμους, οπότε κανένας δεν έχει δει ούτε ένα είδος σπονδυλωτών να αποκλίνει και να εξελίσσεται σε δύο ή περισσότερα διαφορετικά είδη. Ωστόσο, όπως οι αστρονόμοι, εκμεταλλευόμαστε το γεγονός ότι υπάρχουν εκατομμύρια είδη στη Γη που αποσχίζονται από άλλα σε διαφορετικά σημεία στο χρόνο και μπορούμε να έχουμε πρόσβαση στα αρχεία αυτής της ιστορίας που διατηρείται στους βράχους και στο γενετικό υλικό των οργανισμών, νεκρών είτε ζωντανών.

Σε αυτό το πλαίσιο, οι εξελικτικοί βιολόγοι που μελετούν μικροοργανισμούς έχουν ένα πλεονέκτημα έναντι των βιολόγων, όσον αφορά την εξέλιξη πιο πολύπλοκων ειδών, όπως τα σπονδυλωτά: τα μικρόβια αναπαράγονται και μεταλλάσσονται τόσο ραγδαία που θέτουν την εξέλιξη σε γρήγηρες ταχύτητες. Σε αυτό το άρθρο, εξετάζουμε λεπτομερώς ένα αξιοσημείωτο πείραμα που έχει ιχνηλατήσει την εξέλιξη της Escherichia coli μέσα στο απίστευτο χρονικό διάστημα των 67 000 γενεών. Αυτός ο αριθμός, μεταφρασμένος σε ανθρώπινες γενιές, είναι ανάλογος περίπου ενός εκατομμυρίου χρόνων-το οποίο θα μας πήγαινε πίσω, πολύ πριν την απαρχή του δικού μας είδους, του Homo sapiens. Χρησιμοποιώντας E. coli, η οποία αναπαράγεται 6-7 φορές την μέρα, όλο αυτό έχει συμβεί σε λιγότερο από 30 χρόνια.

Όμως, πώς μπορεί η ιχνηλάτιση των  πληθυσμών των μικροοργανισμών να μας αποκαλύψει οτιδήποτε σχετικά με την εξέλιξη άλλων ειδών, ακόμα και των ίδιων των ανθρώπων; Καταρχάς, ας ρίξουμε μια ματιά με το τι εννοούμε με τον όρο εξέλιξη.

Τι είναι η εξέλιξη;

Εξέλιξη είναι οποιαδήποτε αλλαγή στη συχνότητα των γενετικών παραλλαγών (αλληλομόρφων) μεταξύ μιας ομάδας οργανισμών του ίδιου είδους (πληθυσμός) από τη μια γενιά στην επόμενη. Υπάρχουν διάφοροι μηχανισμοί που μπορούν να επιφέρουν την εξέλιξη, συμπεριλαμβανομένης της μετανάστευσης (όταν μια ομάδα νέων ατόμων εντάσσεται σε ή αποχωρεί από έναν υπάρχοντα πληθυσμό) και την απλή τύχη (όταν τα άτομα έχουν άνισες ευκαιρίες να αναπαραχθούν). Ο πιο γνωστός μηχανισμός, που συχνά παραγνωρίζεται ο ίδιος ως εξέλιξη, είναι η θετική φυσική επιλογή: ο μηχανισμός μέσω του οποίου τα άτομα με μερικούς συνδυασμούς αλληλομόρφων σε ένα είδος εντός ενός δεδομένου περιβάλλοντος παράγουν περισσότερους απογόνους από άτομα με άλλους συνδυασμούς, οδηγώντας σε προσαρμογές σε αυτό το είδος.

Πολλές αλλαγές στην συχνότητα των αλληλομόρφων δεν οδηγούν στην εμφάνιση ενός νέου είδους, αλλά όταν συμβεί μια απόσχιση, αυτό πάντα είναι συνέπεια πολλών διαφορετικών γενετικών παραλλαγών που συσσωρεύονται σε διαφορετικούς πληθυσμούς. Η μελέτη τόσο θεμελιωδών μηχανισμών της εξέλιξης -πώς οι γενετικές αλλαγές προκύπτουν και έπειτα εξαπλώνονται σε ή εξαφανίζονται από έναν πληθυσμό και πώς αυτές συμβάλλουν στην “αρμοστικότητα” ενός οργανισμού (ένα μέτρο της αναπαραγωγικής του επιτυχίας)- μας εξηγεί  πώς συμβαίνει η εξέλιξη. Και η μελέτη των μηχανισμών της εξέλιξης είναι ευκολότερη και γρηγορότερη όταν γίνεται στους μικροοργανισμούς.

LTEE : ένα πολύ μακροπρόθεσμο πείραμα

Το πείραμα που στοχεύει να παρακολουθήσει την βακτηριακή εξέλιξη σε δράση,  είναι γνωστό ως το μακροπρόθεσμο πείραμα της εξέλιξης της E. coli ή LTEE (long-term evolution experiment). Στο πείραμα, το οποίο ξεκίνησε στις 24 Φεβρουαρίου του 1988, πληθυσμοί της E. coli ιχνηλατήθηκαν στη διάρκεια του χρόνου για να βρεθούν τι αλλαγές λαμβάνουν χώρα στα γονιδιώματά τους και τι επίδραση έχουν αυτές οι αλλαγές στα χαρακτηριστικά των οργανισμών.

Στην αρχή του πειράματος, ο Richard Lenski στο Michigan State University, USA, χρησιμοποίησε 12 φλάσκες με ένα βακτηριακό μέσο που περιείχε τα απόλυτα ελάχιστα θρεπτικά συστατικά που χρειάζονταν τα βακτήρια για να επιβιώσουν, έπειτα εμβολίασε όλες τις 12 φλάσκες με την ίδια καλλιέργεια E. coli, και τις άφησε να επωαστούν στους 37 °C. Την επόμενη μέρα, πήρε ένα μικρό όγκο από την καλλιέργεια της κάθε φλάσκας, τον αραίωσε με μια φρέσκια ποσότητα θρεπτικού μέσου, και τον άφησε ξανά να επωαστεί ολονύκτια, απορρίπτοντας την καλλιέργεια της προηγούμενης ημέρας. Η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται κάθε μέρα από τότε- για πάνω από 10 000 μέρες μέχρι στιγμής.

Επομένως,  πώς βρίσκουν οι LTEE ερευνητές αν τα E. coli εξελίσσονται- και αν ναι, πώς; Κάθε 75 μέρες (περίπου 500 γενιές), καταψύχεται ένα δείγμα από την καλλιέργεια κάθε φλάσκας, με τέτοιο τρόπο, ώστε να είναι δυνατό να ανακτηθεί, να ανακαλλιεργηθεί σε τρυβλίο Petri και να αναλυθεί όταν πρέπει. Για κάθε ανάλυση, οι ερευνητές μελέτησαν το DNA στα γονιδιώματα διαφορετικών στελεχών E. coli για να χαρτογραφήσουν γενετικές αλλαγές που συνέβησαν από την προηγούμενη παγωμένη γενιά σε κάθε φλάσκα. Ζωτικής σημασίας είναι ότι συνέκριναν επίσης πόσο καλά μεγάλωναν στελέχη από διαφορετικές φλάσκες και χρονικές περιόδους όταν ανταγωνίζονταν μεταξύ τους, διότι ο βαθμός ανάπτυξης είναι ένα καλό μέτρο της εξελικτικής αρμοστικότητας: τα βακτήρια που αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται πιο γρήγορα είναι, από εξελικτικής άποψης, αρμοστικότερα.

Από αυτές τις αναλύσεις, ο Richard Lenski και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να εδραιώσουν την σχέση μεταξύ των μεταλλαγών που συνέβαιναν στο γονιδίωμα της E. coli και την επίδρασή τους στην αρμοστικότητα, δηλαδή έδειξαν πώς εξελίσσονται τα βακτήρια. Κάποια από τα ευρήματά τους απεικονίζονται στο σχήμα 1.

Εδώ, ο κατακόρυφος άξονας δείχνει τον μέσο ρυθμό ανάπτυξης των βακτηριακών πληθυσμών από έξι φλάσκες, σε σχέση με την αρμοστικότητα των βακτηρίων στην αρχή του πειράματος (δηλαδή πόσο καλύτερα ή χειρότερα αναπτύσσονται οι τελευταίες καλλιέργειες σε σχέση με τις πρώτες), και ο οριζόντιος άξονας δείχνει τον αριθμό των γενεών. Μπορούμε να δούμε ότι σε πρώιμες γενιές, ο ρυθμός ανάπτυξης αυξάνει ραγδαία, υποδηλώνοντας ότι οι πρώιμες μεταλλάξεις είχαν μια μεγάλη επίδραση. Πιο όψιμες αλλαγές στο DNA έχουν μικρότερη επιρροή, αλλά τα βακτήρια συνεχίζουν να προσαρμόζονται. Δεν υπάρχει ούτε μια ιδανική αλληλουχία DNA που να παρέχει την ιδανική αρμοστικότητα στο περιβάλλον, αλλά αντιθέτως ένα μονοπάτι αυξανόμενης αρμοστικότητας το οποίο τα βακτήρια συνεχίζουν να ανεβαίνουν.

Μια άλλη παρατήρηση ήταν ότι προέκυψαν δύο ασυνήθιστα μεταλλαγμένα στελέχη. Ένα από αυτά, το οποίο εμφανίστηκε ανεξάρτητα σε τρεις πληθυσμούς μεταξύ των γενεών 2500 και 8500, ονομάστηκε στέλεχος «υπερμεταλλάκτης», διότι το DNA του άλλαζε γρηγορότερα από το DNA άλλων στελεχών. Το στέλεχος υπερμεταλλάκτης έφτασε γρηγορότερα σε υψηλότερη αρμοστικότητα από άλλα στελέχη (σχήμα 2), διότι περισσότερες μεταλλάξεις – περισσότεροι γενετικοί πολυμορφισμοί του γονιδιώματος- σήμαινε ότι χρήσιμα παραλλάγματα που παρέχουν υψηλότερη αρμοστικότητα ήταν πιο πιθανό να συμβούν.

Το δεύτερο μετάλλαγμα που ανακάλυψε ο Lenski και η ομάδα του ήταν ακόμα πιο εντυπωσιακό (Blount et al., 2012). Περίπου στη γενιά 31 000, ένα στέλεχος άρχισε να αναπτύσσεται πολύ, πολύ περισσότερο από οποιοδήποτε πριν από αυτό. Προσεκτική ανάλυση αυτού του μεταλλαγμένου στελέχους, έδειξε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιεί μια εναλλακτική ουσία, ένα κιτρικό οξύ ως το κύριο θρεπτικό αντί μιας μικρής ποσότητας γλυκόζης στο θρεπτικό μέσο. Οι απόγονοι αυτού το μεταλλάγματος γρήγορα κατέλαβαν τη φλάσκα και η μετάλλαξη που επέτρεψε στα βακτήρια να χρησιμοποιήσουν το κιτρικό οξύ (βλέπε σχήμα 3) έγινε κυρίαρχη στον πληθυσμό – ένα ξεκάθαρο παράδειγμα μιας ευνοϊκής μετάλλαξης που εμφανίζεται και εξαπλώνεται σε έναν πληθυσμό: η θετική φυσική επιλογή εν δράσει.

Μαθαίνοντας από τα μεταλλάγματα

Το μετάλλαγμα που τρέφεται με κιτρικό οξύ είναι μια περίπτωση στην οποία ήταν πιθανό να δούμε την εξέλιξη να συμβαίνει με γυμνό μάτι: ένα διαυγές θρεπτικό μέσο που γίνεται θολό με δισεκατομμύρια κύτταρα κυριολεκτικά να κολυμπάνε σε μια νέα πηγή φαγητού και να αυξάνονται εκρηκτικά σε αριθμό μέσα σε ώρες. Παρόλο που η αρχική μετάλλαξη έδωσε ένα μόνο μικρό πλεονέκτημα έναντι της προηγούμενης γενιάς των βακτηρίων, ήταν αρκετό ώστε να διασφαλίσει την αναπαραγωγική επιτυχία των μεταλλαγμάτων. Σύντομα, ολόκληρος ο πληθυσμός ήταν ικανός να χρησιμοποιεί το κιτρικό οξύ ως πηγή φαγητού.

Αυτό είναι μόνο ένα παράδειγμα του πώς η σύντομη γενεαλογία των μικροοργανισμών, σε συνδυασμό με την νέα μας ικανότητα να αλληλουχήσουμε τα γονιδιώματα πολύ γρήγορα, μας επιτρέπει να δούμε την επίδραση των γενετικών παραλλαγμάτων να συμβαίνει σχεδόν σε πραγματικό χρόνο. Μελετώντας αυτά τα χαρακτηριστικά της εξέλιξης σε μικροοργανισμούς, επιτρέπει επίσης στους επιστήμονες να κατανοήσουν τις εξελικτικές διαδικασίες που συμβαίνουν σε άλλους οργανισμούς σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές περιόδους- συμπεριλαμβανομένης της εμφάνισης νέων ειδών.

Download

Download this article as a PDF