Vo vnútri ambiciózneho 30-ročného experimentu Dr. Richarda Lenského

Čo nám 60 000 generácií baktérií hovorí o našom svete

Umenie: Natalya Zahn

Ako ďaleko môžete sledovať svoj rodokmeň?

Moja línia je rozmazaná okolo mojej 5. prababičky: Rebeccy Ellsworthovej z New Yorku. Kráľovná Alžbeta (očividne oveľa lepšia ako autorka záznamu) ako ja, dokáže sledovať jej pôvod až k 32. starému otcovi: kráľovi Alfredovi Veľkému z Wessexu. Ale dokonca aj britskí kráľovskí autori sa ťažko stretávajú s Konfuciánmi. Potomkovia tohto čínskeho filozofa starostlivo sledovali viac ako 80 generácií predkov.

Konfuciusova línia získava cenu za najdlhšie zdokumentovanú genealógiu v ľudskej rase, ale rozširovanie konkurencie na všetky formy života ich zbiera na vzdialenú, vzdialenú priečku.

Evolučný biológ Richard Lenski na Michiganskej štátnej univerzite vedie experiment s pokornou baktériou čriev Escherichia coli od roku 1988. Pretože tieto baktérie dokážu za ideálnych laboratórnych podmienok za každých 20 minút začať novú generáciu asi každých 20 minút, Lenskiho tím bol schopný starostlivo sledovať a zachovať viac ako 60 000 generácií predkov E. coli.

Žiadna ľudská rodina nemôže konkurovať genealogickým záznamom týchto baktérií ... anatomicky novodobí ľudia existovali len asi 12 000 generácií. Pozrel som sa iba do svojho predku, pretože som chcel vedieť, či som zostúpil od niekoho známeho (žiadne také šťastie). Laboratórium Lenski má úplne iný cieľ. Chápu, že každá generácia zavádza zmenu a že táto postupná zmena je základom vývoja všetkého života. Ako sa tieto zmeny dejú? Ako rýchlo sa vyskytujú? Laboratórium Lenski používa tento malý črevný mikrób na zodpovedanie týchto veľkých otázok.

Richard Lenski s podnosom z dlhodobého experimentu s evolúciou vo svojom laboratóriu na Michiganskej štátnej univerzite 26. mája 2016. (Foto: Zachary Blount)

Vedci v laboratóriu neustále propagujú a monitorujú bakteriálne kultúry. Každých pár mesiacov (alebo zhruba 500 generácií) sa časť bakteriálnych buniek uchováva v mrazničkách spolu so všetkými svojimi predkami ako súčasť „zmrazeného fosílneho záznamu“. Ale sú to živé fosílie - ktorákoľvek z týchto kultúr môže byť oživená na experimentovanie a sekvenovanie DNA.

V priebehu experimentu zaznamenal Lenski tím niekoľko zaujímavých zmien. V jednom extrémnom príklade pozorovali vývoj úplne novej črty: schopnosť stráviť nový druh jedla.

Experiment sa začal s 12 mierne odlišnými populáciami alebo kmeňmi E. coli, ktoré všetky pôvodne vznikli z jedinej bunky a všetky použili glukózu prítomnú v bujóne ako svoj jediný zdroj uhlíka pre energiu. Vedci pestovali tieto kmene v vývare, ktorý obsahoval iba malú hladinu glukózy, ale (z technických dôvodov) sa stalo, že mali veľa citrátu. Citrát je podobný glukóze, ale žiadny z kmeňov E. coli nemohol metabolizovať citrát tak, ako glukózu. V prostredí s nízkym obsahom glukózy tieto mikróby hladovali.

Asi o 31 000 generácií neskôr sa 11 z 12 kmeňov stále spoliehalo iba na glukózu, aby sa mohla reprodukovať energia, ale jeden kmeň vyvinul schopnosť jesť citrát. V dôsledku toho tieto baktérie využívajúce citrát dokázali rásť oveľa lepšie v médiu bohatom na glukózu / citrát ako ich 11 súrodencov. Ta da! Evolucia sa odohrala priamo na lavičke a jednoduché otvorenie dverí mrazničky by mohlo odhaliť presne, kedy a ako k týmto zmenám došlo. Vedci pomocou svojich užitočných zmrazených fosílnych záznamov ožili predkov v línii, ktorá dala vznik baktériám konzumujúcim citrát, a ukázali kroky, ktoré je potrebné urobiť, aby sa táto nová vlastnosť objavila.

Ľudia zažili vývojové zmeny v tom, čo vieme a tiež nedokážeme stráviť. Perzistencia laktázy, schopnosť dospelého človeka stráviť mliečny cukor laktózu, povedzme, galón zmrzliny, ak sa jej to páči, sa vyvinula pomerne nedávno. Väčšina cicavcov môže tráviť laktózu iba ako dojčatá, ale niektoré populácie si túto schopnosť zachovávajú celý život. Nemôžeme oživiť a sekvenovať stovky generácií ľudí, takže je ťažšie potlačiť špecifiká, ale odhaduje sa, že perzistencia laktázy sa prvýkrát objavila asi pred 7500 rokmi (~ 300 ľudských generácií), krátko potom, ako ľudia prišli na to, ako domestikovať. hovädzí dobytok (choďte na postavu).

Odkiaľ pochádzajú tieto nové vlastnosti? Lenskiho výskum E. coli podporuje myšlienku, že nové črty vychádzajú z práve tých správnych kombinácií náhodných genetických zmien, ktoré, hoci sú veľmi zriedkavé, sa stanú dostatkom času. Niektoré mutácie DNA vôbec nespôsobujú organizmu žiadne zjavné zmeny. Iné mutácie sú neuveriteľne škodlivé, napríklad mutácie v ľudskom géne BRCA1, vďaka ktorým sú niektorí ľudia náchylní na rakovinu prsníka. Ale raz za veľmi dlhú dobu sa vyskytnú prospešné genetické zmeny, vďaka ktorým je organizmus fitjší, šťastnejší a produktívnejší ... každá nová generácia má šancu preskúmať nové vylepšenia.

Mutácie DNA zodpovedné za nové črty sa vyskytujú náhodne, aj keď neexistuje žiadny selekčný tlak. Napríklad vaše črevo obsahuje baktérie rezistentné na antibiotiká. Rezistencia na antibiotiká je znakom génov, ktoré majú neustále náhodné mutácie. Ak ste zdravý a neužívate žiadne antibiotiká, tieto rezistentné baktérie nemajú výhodu oproti žiadnemu inému kmeňu. Zostávajú, ale v nízkom počte v porovnaní so všetkými ostatnými prítomnými baktériami. Po začatí liečby antibiotikami majú tieto mutanty výhodu. Ak sú všetci ostatní zabíjaní, môžu prosperovať, „zametať“ populáciu a nahradiť ďalšie kmene.

Identifikácia ďalších faktorov a dôsledkov mikrobiálnej evolúcie je aktívna oblasť výskumu, ktorý pretína medicínu a evolučnú biológiu. Mikróby majú hlboký vplyv na zdravie hostiteľa, ale nemajú rovnaké limity ako hostitelia. Reprodukujú sa oveľa rýchlejšie, existujú v oveľa väčšom počte a dokonca si vymieňajú gény spôsobom, ktorý ľudia nemôžu. Ako nám ukazuje práca Richarda Lenského, pomáhajú nám tiež zabaliť mozgy primátov okolo zdanlivo nemožnej úlohy pochopiť, ako evolúcia skutočne funguje.

Sám Darwin so svojou páskou a zbierkou zobákov vtáča mohol skutočne len ukázať, že k evolúcii dochádza. Pochopenie toho, ako sa to stane a čo by pre nás mohlo priniesť ďalšie, je úlohou tejto generácie - s pomocou niektorých mikróbov. Pre každého človeka môže byť ťažké oceniť, že evolúcia je nepretržitý proces, ale nezabudnite, že jeden rok vášho života predstavuje veľa generácií, ktoré sa oplatia vytvárať príležitosti pre váš mikrobióm a vy.

I Contain Multitudes je viacdielna video séria venovaná skúmaniu prekrásneho, skrytého sveta mikróbov.