charles darwin, grondlegger van de evolutietheorie, was ervan overtuigd dat evolutie nooit rechtstreeks kon worden waargenomen. vandaag zijn onderzoekers over de hele wereld nochtans elke dag getuige van verrassende evolutionaire veranderingen in evolutie-experimenten met allerhande soorten micro-organismen. deze evolutie-experimenten vormen niet alleen een prachtige illustratie van darwins ideeën, ze leveren ons tegelijk fundamentele inzichten in de biologische mechanismen achter evolutionaire processen en complexe eigenschappen zoals antibioticumresistentie.
Experimenteren met evolutie
Evolutie vormt een van de fundamenten van de biologie. Van het ontstaan van het leven en de enorme diversiteit aan soorten op onze planeet tot verwoestende ziekten zoals malaria en kanker, steeds vormen evolutionaire principes de sleutel tot het verklaren van deze biologische fenomenen. Een beroemde en vaak aangehaalde uitspraak van de Oekraïens-Amerikaanse evolutiebioloog Theodosius Dobzhansky illustreert dit treffend: ‘Niets in de biologie heeft betekenis behalve in het licht van evolutie.’
Het is bekend dat Charles Darwin, de onbetwiste grondlegger van de evolutieleer, geloofde dat het onmogelijk was om evolutie rechtstreeks waar te nemen. Darwin ging dus niet uit van directe observaties, maar baseerde zijn theorie op huidige afspiegelingen van voorbije evolutie, zoals de variatiepatronen tussen en binnen soorten. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn de sterk uiteenlopende bekvormen van de verschillende soorten vinken op de Galapagoseilanden (de zogenaamde ‘Darwinvinken’). Darwin begreep dat deze grote variatie aan vinkensoorten ontstaan was vanuit één gemeenschappelijke voorouder. De nakomelingen van die voorouder vertoonden door toeval steeds kleine veranderingen in eigenschappen. Nakomelingen die hierdoor beter aangepast waren aan hun omgeving, hadden meer kans om te overleven en hun eigenschappen aan volgende generaties door te geven. Darwin noemde dit proces ‘natuurlijke selectie’. Vandaag weten we dat deze veranderingen veroorzaakt worden door willekeurige foutjes in de DNA-code. Genetische mutaties liggen dus aan de basis van variatie tussen individuen en leveren het ruwe materiaal aan waarop natuurlijke selectie plaatsgrijpt. Dit noemen we de ‘moderne synthese’ of het neodarwinisme.
Darwin was fout wanneer hij evolutie door natuurlijke selectie als een extreem traag proces beschreef
Hoewel vele van Darwins revolutionaire ideeën tot op vandaag standhouden, hebben onderzoekers inmiddels verschillende fascinerende voorbeelden aangeleverd waarbij evolutie kan worden waargenomen over een tijdschaal van jaren, maanden of zelfs dagen. Darwin was dus fout wanneer hij in 1859 in zijn The Origin of Species evolutie door natuurlijke selectie als een extreem traag proces beschreef: ‘We zien als mens niets van deze trage veranderingen, ze worden alleen zichtbaar na verloop van lange tijd en slechts op zo’n manier dat we alleen kunnen waarnemen hoe organismen van nu verschillend zijn van hun vroegere vormen.’ Het was zelfs een tijdsgenoot van Darwin die hiervoor als een van de eersten experimenteel bewijs verzamelde. De diepgelovige Britse bioloog William Dallinger kweekte zeven jaar lang microscopisch kleine flagellaten of zweepdiertjes (i.e. eencellige micro-organismen die zich bedienen van een staart om zich te voeden en voort te bewegen) in een zelfgebouwde incubator waarvan hij stelselmatig de temperatuur verhoogde, totdat een ongeluk het experiment in 1886 bruusk ten einde bracht. Op dat moment waren de flagellaten echter al aangepast aan een groei bij sterk verhoogde temperaturen, die bij aanvang van het experiment nog dodelijk waren, terwijl ze niet meer groeiden bij de begintemperatuur die ze nu als te koud ervaarden.
Het experiment van Dallinger was een van de eerste voorbeelden van experimentele evolutie. Bij zo’n evolutie-experiment zal de onderzoeker aan organismen een bepaalde, vaak ongeschikte omgeving opleggen (een beperkte hoeveelheid voedingsstoffen, een hoge temperatuur, antibiotica, …). Die omgeving veroorzaakt een selectiedruk waaraan de organismen zich na verloop van tijd aanpassen. Experimentele evolutie kan worden ingezet voor het bestuderen van het evolutionaire proces zelf, voor de studie van de specifieke eigenschappen die aan evolutie onderhevig zijn, of voor het verbeteren van organismen voor toepassingsdoeleinden. Merk op dat bijvoorbeeld het fokken van rashonden of het veredelen van appelrassen, strikt genomen niet onder de noemer van experimentele evolutie vallen. Hierbij selecteert de veredelaar namelijk zelf de nakomelingen met gewenste eigenschappen na het kruisen van bestaande rashonden of appels (dit is artificiële selectie), terwijl in experimentele evolutie natuurlijke selectie optreedt door de opgelegde omgeving.
Ondanks het vroege voorbeeld van Dallinger legden latere onderzoekers micro-organismen (bacteriën, gisten en virussen) nog geruime tijd naast zich neer. Liever richtten ze zich op de evolutie van grotere organismen zoals vlinders, fruitvliegen of grassen die ze aantrekkelijker vonden om mee te werken en makkelijker visueel konden beoordelen. Bovendien waren microbiologen er lange tijd niet van overtuigd dat de erfelijkheidswetten, in 1866 opgesteld door de kloosterbroeder en ‘vader van de genetica’ Gregor Mendel, ook van toepassing waren op de organismen die zij bestudeerden. Een algemene aanvaarding van willekeurige mutaties en natuurlijke selectie als drijvende kracht achter de evolutie van micro-organismen groeide pas vanaf de jaren 1940, voornamelijk als gevolg van het bekende fluctuatie-experiment van Salvador Luria en Max Delbrück. Zodra duidelijk was dat op micro-organismen dezelfde genetische en evolutionaire krachten inwerken als op alle andere levensvormen, opende zich de weg om ze in te sluiten in de studie van evolutie. Micro-organismen kennen bovendien enkele niet te onderschatten voordelen voor het gebruik in evolutie-experimenten. Doordat ze zo klein zijn, kunnen onderzoekers eenvoudig grote populaties onderhouden: er passen tot miljarden individuen in één enkele proefbuis. Bovendien verloopt hun levenscyclus zeer snel waardoor ze elke dag gemakkelijk meerdere generaties doorlopen. Hoewel micro-organismen ook andere praktische voordelen hebben (zoals cryopreservatie, goedkope groeicondities), zorgt vooral de combinatie van deze korte generatietijd en grote populaties ervoor dat evolutie in het labo zich vaak zeer snel kan voltrekken wat het dus, in tegenstelling tot Darwins opvatting (en in tegenstelling tot bij het gebruik van planten en dieren), wel degelijk mogelijk maakt om evolutionaire veranderingen waar te nemen op korte termijn.
Micro-organismen combineren een korte generatietijd met grote populaties waardoor hun evolutie zich vaak zeer snel kan voltrekken
Hoewel enkele pioniers in de jaren 1970 reeds sporadisch evolutie-experimenten met micro-organismen uitvoerden, werd experimentele evolutie pas echt volwassen met het werk van de Amerikaanse evolutiebioloog Richard Lenski. Hij startte zijn onderzoeksloopbaan in de jaren 1980 met de studie van wilde kevers in de zuidelijke Appalachen. Al snel raakte hij gefrustreerd door het trage verloop van zijn experimenten en wisselde hij de berglandschappen en kevers in voor een laboratoriumomgeving en de modelbacterie Escherichia coli, het werkpaard van het (micro)biologisch onderzoek. Op 24 februari 1988 startte Lenski zijn befaamde evolutie-experiment op lange termijn, waarbij twaalf parallelle populaties onderhouden werden in een eenvoudig groeimedium met een beperkte hoeveelheid suiker (glucose) als koolstof- en energiebron. Elke dag werd één procent van de populaties overgezet in een vers groeimedium voor het doorlopen van een nieuwe groeicyclus. Op die manier maken de bacteriën ongeveer zeven generaties door op één dag.
Het opzet van Lenski’s experiment was eenvoudig, maar toch krachtig en zeer doordacht, waardoor het tot op vandaag een voorbeeld en inspiratiebron is voor vele onderzoekers. Lenski koos voor E. coli’s die gemerkt zijn met karakteristieke eigenschappen die makkelijk visueel te controleren zijn, zoals bijvoorbeeld resistentie tegen infectie met bacteriofagen of nog de productie van gekleurde pigmenten. Bovendien waren ook sommige eigenschappen tussen de parallelle populaties verschillend. Op die manier was het mogelijk om besmettingen met micro-organismen van buitenaf, of kruisbesmettingen tussen parallelle populaties, makkelijk op te sporen. Ten slotte werden de populaties bacteriën op regelmatige tijdstippen bewaard in de diepvries zodat een ongeluk, zoals bij Dallinger, het experiment niet bruusk zou afbreken. Vandaag, na bijna dertig jaar, loopt het experiment nog steeds onafgebroken door en hebben de bacteriën intussen een slordige 66 000 generaties doorgemaakt. Het doorlopen van dit aantal generaties zou bij de mens bijna twee miljoen jaar duren, terwijl onze soort, Homo sapiens, zelfs nog geen 8 000 generaties oud is. Diepgevroren bacterieculturen vormen bovendien een soort levensvatbaar fossielenbestand dat de onderzoeker in staat stelt om voorouders uit vorige generaties op te wekken, vergelijkbaar met het weer tot leven wekken van neanderthalers in de betere sciencefictionfilms.
Na dertig jaar hebben de bacteriën een slordige 66 000 generaties doorgemaakt, iets wat bij de mens bijna twee miljoen jaar zou duren
Aangezien het onderzoeksveld van experimentele evolutie de laatste jaren werkelijk geëxplodeerd is en er ondertussen duizenden evolutie-experimenten uitgevoerd zijn, zullen we hier slechts enkele van de meest tot de verbeelding sprekende voorbeelden aanhalen. Een van de belangrijkste evolutionaire vragen is hoe nieuwe soorten kunnen ontstaan. Hoewel dit vaak gezien wordt als een proces van lange adem, kunnen cruciale stappen in de vorming van een nieuwe soort worden waargenomen in evolutie-experimenten met micro-organismen. Zo vergaarde een van Lenski’s E. Coli-populaties de capaciteit om naast glucose ook citroenzuur – rijkelijk aanwezig in het groeimedium om de opname van ijzer te vergemakkelijken – te gebruiken als koolstofbron. Het onvermogen om op citroenzuur te groeien is echter net een van de kenmerkende eigenschappen van E. coli en wordt zelfs gebruikt om de soort te onderscheiden van zijn gevaarlijke, ziekteverwekkende neefje, Salmonella. Andere onderzoekers slaagden erin de eerste stappen tot soortvorming waar te nemen in bacteriofagen, virussen die alleen bacteriën infecteren. Bacteriofaag λ infecteert E. coli normaal gezien via één specifieke receptor op het celoppervlak van de bacterie. Tijdens een evolutie-experiment met de bacteriofaag en zijn gastheer, probeerde deze laatste aan de bacteriofaag te ontsnappen door minder exemplaren van die receptor aan te maken. De bacteriofaag reageerde hierop door het ontwikkelen van de mogelijkheid om E. coli te infecteren via een nieuwe receptor. In een vervolgexperiment liet men het virus evolueren in de aanwezigheid van twee verschillende gastheren: één groep bevatte alleen de oorspronkelijke receptor en een andere groep bevatte alleen de nieuwe receptor. Op deze manier ontstonden twee types virussen: deze gespecialiseerd in infectie via de oude route en deze gespecialiseerd in infectie via de nieuwe route. Zo is de kans dus klein dat de twee versies van het virus eenzelfde bacterie infecteren. Hierdoor vermindert dan weer de kans dat deze twee virustypes DNA kunnen uitwisselen. Met andere woorden, de geëvolueerde bacteriofagen zijn reproductief geïsoleerd van elkaar – een belangrijk criterium in de definitie van een soort.
Cruciale stappen in soortvorming werden reeds waargenomen in evolutie-experimenten met micro-organismen
Ook de studie van andere cruciale evolutionaire overgangen is mogelijk met evolutie-experimenten met micro-organismen. Ergens in de geschiedenis van het leven op onze planeet heeft het leven een overgang gemaakt van uitsluitend unicellulaire systemen naar multicellulaire structuren, die de basis vormden voor complexe organismen zoals planten, dieren en de mens. Verschillende onderzoeksgroepen, waaronder deze geleid door Paul Rainey, Michael Travisano en Andrew Murray, hebben deze overgang succesvol weten na te bootsen in het labo. In evolutie-experimenten met verschillende bacteriën en gist zagen ze multicellulariteit ontstaan onder condities waar aggregatie van cellen en zelfs samenwerking tussen cellen voordelig is. Meer nog dan simpele hoopjes identieke cellen ontstond in gist zelfs een taakverdeling tussen individuele cellen en offerden sommige cellen in de groep zich op door het plegen van ‘zelfmoord’ (apoptose), een altruïstische daad die bijna uitsluitend te begrijpen is in het kader van een complex multicellulair organisme.
Een ander evolutionair enigma is het ontstaan en het nut van de seksuele voortplanting. Hoewel de evolutionaire meerwaarde van seksuele voortplanting logisch lijkt – het laat namelijk toe om verschillende positieve mutaties snel samen te brengen of negatieve mutaties vlugger te verliezen – is het een grote uitdaging om dit experimenteel aan te tonen. Een recent evolutie-experiment aan de prestigieuze Harvard University met seksueel en aseksueel voortplantende gistcellen bracht hierbij uitsluitsel. Niet alleen pasten de seksueel groeiende cellen in het labo van Michael Desai zich sneller aan hun omgeving aan, ook hadden zij geen last van neutrale of negatieve mutaties die in de aseksuele populaties konden meeliften op het succes van de goede mutaties. Seks helpt evolutie en natuurlijke selectie dus een handje.
Seksuele voortplanting laat toe om positieve mutaties snel samen te brengen of negatieve mutaties vlugger te verliezen
Naast het experimenteel toetsen van evolutionaire theorieën wordt experimentele evolutie met micro-organismen ook aangewend om de mechanismen achter complexe eigenschappen en gedragingen te ontrafelen. Vele eigenschappen van micro-organismen zitten mechanistisch zo complex in elkaar dat traditionele onderzoeksmethoden niet volstaan om ze te begrijpen. Vaak zijn deze eigenschappen bovendien van groot maatschappelijk belang, denken we bijvoorbeeld maar aan de overdraagbaarheid van het vogelgriepvirus of de snelle verspreiding van antibioticumresistente bacteriën. In 2011 publiceerden onderzoekers van het Erasmus MC Rotterdam een studie waarin werd aangetoond dat het zeer dodelijke H5N1-vogelgriepvirus via experimentele evolutie in het labo snel de mogelijkheid verwierf om via de lucht overgedragen te worden, wat het eerder niet kon. Hoewel die eigenschap tot dusver nog niet in het wild werd waargenomen, kunnen we dankzij deze resultaten de natuur een stapje voor proberen te zijn door de ontwikkeling van doelgerichte of preventieve maatregelen.
Om de huidige antibioticumcrisis – een gevolg van de razendsnelle evolutie en verspreiding van resistente pathogenen – beter te begrijpen proberen tal van onderzoekers om bacteriën in het labo resistent te maken tegen de werking van verschillende antibiotica. Klassiek gebruikt men hiervoor vloeibare culturen en wordt de antibioticumconcentratie stelselmatig verhoogd naarmate de bacteriën resistentie ontwikkelen (wat overigens vaak zeer snel gebeurt). Recent werd er echter een interessante alternatieve opstelling gebruikt. Het laboratorium in Harvard van Roy Kishony ontwikkelde het concept van ‘antibioticumlandschappen’ of zogenaamde microbiële evolutie- en groeiarenaplaten, grote platen met groeimedium waarin zones met steeds stijgende antibioticumconcentraties elkaar opvolgen. Bacteriën, aangebracht aan de antibioticumvrije rand van de plaat, konden zich slechts verder verspreiden over de rest van de plaat door evolutie naar een toestand van steeds sterkere antibioticumresistentie. Door op regelmatige tijdstippen een foto te nemen konden de onderzoekers het voortschrijdende bacteriefront op film vastleggen en werd het zo voor het eerst mogelijk om het proces van evolutie daadwerkelijk in ‘real time’ waar te nemen. De bacteriën evolueerden angstaanjagend snel en slaagden erin om binnen de twaalf dagen een afstand van 1,2 meter af te leggen om de overkant van de plaat, met extreme antibioticumconcentraties die tot honderdduizend keer hoger waren als het begin, te bereiken.
Zoals we met de hoger besproken voorbeelden duidelijk hebben proberen te maken, heeft experimentele evolutie met micro-organismen ons de afgelopen decennia ontzettend veel geleerd. Eeuwenoude theorieën over evolutie werden experimenteel bevestigd en belangrijke verrassende nieuwe inzichten werden verzameld. Als we proberen een blik op de toekomst te werpen, mogen we ervan uitgaan dat we het beste van de experimentele evolutie zeker nog niet gezien hebben. De stroom van interessante bevindingen uit evolutie-experimenten overtuigt steeds meer onderzoekers van de ongeëvenaarde mogelijkheden van deze methode. Experimentele evolutie zal dus ongetwijfeld ook in de toekomst belangrijke bijdragen blijven leveren tot een beter begrip van fundamentele evolutionaire processen, en ons blijven helpen om de moleculaire en genetische details achter complexe eigenschappen en gedragingen van organismen te ontrafelen. Ook voor meer toepassingsgerichte doeleinden – gaande van brouwersgisten tot plastic-etende micro-organismen – biedt experimentele evolutie trouwens veelbelovende perspectieven.
Tot slot nog dit. Een vraag die bij vele mensen opkomt wanneer ze nadenken over evolutie is of die ooit tot een einde komt. Bereikt een organisme ooit de evolutionaire perfectie, is het ooit ‘uitgeëvolueerd’? Het experiment van Lenski biedt een uitzonderlijk experimenteel inzicht in deze vraag. Na bijna dertig jaar in dezelfde omgeving is voor de evolutie van Lenski’s bacteriën nog geen einde in zicht. Hoewel de bacteriën intussen minder snel veranderen dan in de beginperiode, passen ze zich nog elke dag beter aan hun omgeving aan. Een wiskundig model op basis van dertig jaar aan data uit Lenski’s experiment voorspelt dat de aanpassing van de bacteriën geleidelijk aan trager zal verlopen, maar nooit ten einde komt en geen bovengrens heeft. Het blijft dus een open vraag wat voor onverwachte zaken het evolutie-experiment van Lenski en de experimenten van tal van andere onderzoekers voor ons nog in petto hebben.
Michael Baym, Tami D. Lieberman, Eric D. Kelsic, Remy Chait, Rotem Gross, Idan Yelin en Roy Kishony, ‘Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes’, in Science, 2016, 353 (6304), 1147-1151.
Jan Michiels, Joran Michiels en Bram van den Bergh zijn als moleculair microbioloog verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License