Μέσα στο φιλόδοξο, 30χρονο πείραμα του Dr. Richard Lenski

Τι μας λένε 60.000 γενιές βακτηρίων για τον κόσμο μας

Τέχνη: Νατάλια Ζαχ

Πόσο πίσω μπορείτε να εντοπίσετε το οικογενειακό σας δέντρο;

Η γενεαλογία μου γίνεται ασαφής γύρω από την 5η γιαγιά μου: Ρεμπέκα Έλγουορθ από τη Νέα Υόρκη. Η βασίλισσα Ελισάβετ (προφανώς πολύ καλύτερη ρεκόρ από τον εαυτό μου) μπορεί να εντοπίσει τη γενεαλογία της στον 32ο παππού της: τον βασιλιά Άλφρεντ ο Μέγας του Βέσεξ. Αλλά ακόμη και οι Βρετανοί βασιλιάδες δυσκολεύονται να συμβαδίσουν με τους Κομφούκιους. Οι απόγονοι αυτού του Κινέζου φιλόσοφου έχουν παρακολουθήσει προσεκτικά πάνω από 80 γενεές καταγωγής.

Η γραμμή του Κομφούκιου κερδίζει το βραβείο για τη μακρύτερη τεκμηριωμένη γενεαλογία στον άνθρωπο, αλλά η επέκταση του ανταγωνισμού σε όλες τις μορφές ζωής τους οδηγεί σε έναν μακρινό, μακρινό υποψήφιο.

Ο εξελικτικός βιολόγος Richard Lenski στο Michigan State University διεξάγει ένα πείραμα χρησιμοποιώντας το ταπεινό βακτήριο του εντέρου Escherichia coli από το 1988. Επειδή αυτά τα βακτήρια είναι σε θέση να ξεκινήσουν μια νέα γενιά περίπου κάθε 20 λεπτά υπό ιδανικές εργαστηριακές συνθήκες, η ομάδα του Lenski ήταν σε θέση να παρακολουθεί προσεκτικά και να διατηρήσει πάνω από 60.000 γενιές της καταγωγής E. coli.

Καμία ανθρώπινη οικογένεια δεν μπορεί να ανταγωνιστεί το γενεαλογικό αρχείο αυτών των βακτηρίων… ανατομικά οι σύγχρονοι άνθρωποι υπήρχαν μόνο για περίπου 12.000 γενιές. Κοίταξα μόνο την καταγωγή μου γιατί ήθελα να μάθω αν κατάγονα από κάποιο διάσημο (όχι τέτοια τύχη). Το εργαστήριο Lenski έχει έναν εντελώς διαφορετικό στόχο. Καταλαβαίνουν ότι κάθε γενιά εισάγει την αλλαγή και ότι αυτή η σταδιακή αλλαγή είναι η βάση για το πώς εξελίσσεται όλη η ζωή. Πώς συμβαίνουν αυτές οι αλλαγές; Πόσο γρήγορα συμβαίνουν; Το εργαστήριο Lenski χρησιμοποιεί αυτό το μικροσκοπικό μικρόβιο του εντέρου για να απαντήσει σε αυτές τις μεγάλες ερωτήσεις.

Ο Richard Lenski με ένα δίσκο φιαλών από το μακροχρόνιο πείραμα εξέλιξης στο εργαστήριό του στο Michigan State University στις 26 Μαΐου 2016. (Φωτογραφική πίστωση: Zachary Blount)

Οι ερευνητές στο εργαστήριο διαδίδουν συνεχώς και παρακολουθούν βακτηριακές καλλιέργειες. Κάθε δύο μήνες (ή περίπου 500 γενιές), ένα μέρος των βακτηριακών κυττάρων διατηρείται σε καταψύκτες μαζί με όλους τους προγόνους τους ως μέρος ενός «παγωμένου απολιθωμένου δίσκου». Αλλά αυτά είναι ζωντανά απολιθώματα - οποιαδήποτε από αυτές τις καλλιέργειες μπορεί να αναβιώσει για πειραματισμό και αλληλουχία DNA.

Κατά τη διάρκεια του πειράματός τους, η ομάδα του Lenski έχει δει μερικές συναρπαστικές αλλαγές να αναδύονται. Σε ένα ακραίο παράδειγμα, παρατήρησαν την εξέλιξη ενός ολοκαίνουργιου χαρακτηριστικού: την ικανότητα χώνευσης ενός νέου τύπου τροφής.

Το πείραμα ξεκίνησε με 12 ελαφρώς διαφορετικούς πληθυσμούς, ή στελέχη, του E. coli, ότι όλοι αρχικά προέκυψαν από ένα μόνο κύτταρο και όλα τα χρησιμοποιούμενα γλυκόζη υπήρχαν στο ζωμό ως μοναδική πηγή άνθρακα για την ενέργεια. Οι επιστήμονες μεγάλωσαν αυτά τα στελέχη σε ζωμό που περιείχε μόνο λίγη γλυκόζη, αλλά (για τεχνικούς λόγους) τυχαίνει να έχει πολλά κιτρικά. Το κιτρικό είναι παρόμοιο με τη γλυκόζη, αλλά κανένα από τα στελέχη E.coli δεν μπορούσε να μεταβολίσει το κιτρικό όπως έκαναν τη γλυκόζη. Στο περιβάλλον χαμηλής γλυκόζης, αυτά τα μικρόβια λιμοκτονούσαν.

Περίπου 31.000 γενιές αργότερα, 11 από τα 12 στελέχη εξακολουθούσαν να βασίζονται αποκλειστικά στη γλυκόζη για την αναπαραγωγή ενέργειας, αλλά ένα στέλεχος ανέπτυξε την ικανότητα να τρώει κιτρικό. Κατά συνέπεια, αυτά τα βακτηρίδια που χρησιμοποιούν κιτρικά μπόρεσαν να αναπτυχθούν πολύ καλύτερα στα φτωχά σε γλυκόζη μέσα / πλούσια σε κιτρικά από τα 11 αδέλφια στελέχη τους. Τα ντα! Η εξέλιξη έγινε εκεί στην κορυφή του πάγκου, και απλά το άνοιγμα μιας πόρτας καταψύκτη θα μπορούσε να αποκαλύψει ακριβώς πότε και πώς πραγματοποιήθηκαν αυτές οι αλλαγές. Χρησιμοποιώντας το εύχρηστο παγωμένο αρχείο απολιθωμάτων, οι ερευνητές αναβίωσαν τους προγόνους τους στη γενεαλογία που δημιούργησαν βακτήρια που τρώνε κιτρικά και έδειξαν τα βήματα που έπρεπε να γίνουν για να εμφανιστεί αυτό το νέο χαρακτηριστικό.

Οι άνθρωποι έχουν βιώσει εξελικτικές αλλαγές σε ό, τι μπορούμε και δεν μπορούμε να αφομοιώσουμε. Η επιμονή της λακτάσης, η ικανότητα ενός ενήλικα ανθρώπου να αφομοιώσει τη λακτόζη του σακχάρου γάλακτος σε, ας πούμε, σε ένα γαλόνι παγωτού, αν το επιθυμεί, εξελίχθηκε αρκετά πρόσφατα. Τα περισσότερα θηλαστικά μπορούν να αφομοιώσουν τη λακτόζη μόνο ως βρέφη που θηλάζουν, αλλά ορισμένοι πληθυσμοί ανθρώπων διατηρούν αυτήν την ικανότητα για ολόκληρη τη ζωή τους. Δεν μπορούμε να αναζωογονήσουμε και να ακολουθήσουμε εκατοντάδες γενιές ανθρώπων, οπότε είναι πιο δύσκολο να ακυρώσουμε τις ιδιαιτερότητες, αλλά η επιμονή της λακτάσης εκτιμάται ότι έχει προκύψει για πρώτη φορά περίπου 7500 χρόνια πριν (~ 300 ανθρώπινες γενιές), λίγο αφότου οι άνθρωποι βρήκαν πώς να εξοικειωθούν βοοειδή (πηγαίνετε σχήμα).

Λοιπόν, από πού προέρχονται αυτά τα νέα χαρακτηριστικά; Η έρευνα E. coli του Lenski υποστηρίζει την ιδέα ότι νέα χαρακτηριστικά προκύπτουν από τους σωστούς συνδυασμούς τυχαίων γενετικών αλλαγών που, αν και εξαιρετικά σπάνιες, συμβαίνουν δεδομένου αρκετού χρόνου. Ορισμένες μεταλλάξεις του DNA δεν προκαλούν καθόλου προφανή αλλαγή σε έναν οργανισμό. Άλλες μεταλλάξεις είναι εξαιρετικά επιβλαβείς, όπως οι μεταλλάξεις στο ανθρώπινο γονίδιο BRCA1 που κάνουν μερικούς ανθρώπους ευπαθείς στον καρκίνο του μαστού. Αλλά μια φορά πολύ καιρό, συμβαίνουν ευεργετικές γενετικές αλλαγές που κάνουν τον οργανισμό να ταιριάζει, πιο ευτυχισμένος, πιο παραγωγικός… κάθε νέα γενιά έχει την ευκαιρία να διερευνήσει νέες βελτιώσεις.

Οι μεταλλάξεις του DNA που είναι υπεύθυνες για νέα χαρακτηριστικά εμφανίζονται τυχαία, ακόμη και όταν δεν υπάρχει πίεση επιλογής. Για παράδειγμα, το έντερο σας περιέχει ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια. Η αντοχή στα αντιβιοτικά είναι ένα χαρακτηριστικό που προσδίδεται από γονίδια, τα οποία παρουσιάζουν τυχαίες μεταλλάξεις όλη την ώρα. Εάν είστε υγιείς και δεν παίρνετε αντιβιοτικά, αυτά τα ανθεκτικά βακτήρια δεν έχουν κανένα πλεονέκτημα από οποιοδήποτε άλλο στέλεχος. Παραμένουν, αλλά σε χαμηλούς αριθμούς σε σχέση με όλα τα άλλα βακτήρια που υπάρχουν. Μόλις ξεκινήσετε τη θεραπεία με αντιβιοτικά, αυτά τα μεταλλάγματα έχουν το πλεονέκτημα. Εάν όλοι οι άλλοι σκοτώνονται, μπορούν να ευδοκιμήσουν, να «σκουπίσουν» τον πληθυσμό και να αντικαταστήσουν άλλα στελέχη.

Ο εντοπισμός άλλων οδηγών και των συνεπειών της μικροβιακής εξέλιξης είναι ένας ενεργός τομέας έρευνας που τέμνει την ιατρική και την εξελικτική βιολογία. Τα μικρόβια έχουν βαθιά επίδραση στην υγεία του οικοδεσπότη τους, αλλά δεν έχουν τα ίδια όρια με τους οικοδεσπότες τους. Αναπαράγονται πολύ πιο γρήγορα, υπάρχουν σε πολύ μεγαλύτερους αριθμούς και ακόμη και ανταλλάσσουν γονίδια με τρόπους που οι άνθρωποι δεν μπορούν. Επίσης, όπως μας δείχνει το έργο του Ρίτσαρντ Λένσκι, μας βοηθούν να τυλίξουμε τα πρωτεύοντά μας μυαλά γύρω από το φαινομενικά αδύνατο καθήκον να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί η εξέλιξη.

Ο ίδιος ο Δαρβίνος, με τη μεζούρα του και τη συλλογή ράμφων πουλιών, μπορούσε πραγματικά να αποδείξει ότι συμβαίνει η εξέλιξη. Η κατανόηση του πώς συμβαίνει και τι μπορεί να μας φέρει στη συνέχεια, είναι καθήκον αυτής της γενιάς - με τη βοήθεια ορισμένων μικροβίων. Μπορεί να είναι δύσκολο για οποιοδήποτε άτομο να εκτιμήσει ότι η εξέλιξη είναι μια συνεχής διαδικασία, αλλά να θυμάστε ότι ένα έτος της ζωής σας αξίζει πολλές γενιές ευκαιρίες για το μικρόβιο σας, και εσείς, να εξελιχθείτε.

Το I Contain Multitudes είναι μια σειρά βίντεο πολλαπλών τμημάτων αφιερωμένη στην εξερεύνηση του υπέροχου, κρυμμένου κόσμου του μικροβίου.