experimentele evolutie


zie  ook              Esch Coli.docx (1.4 MB)
Evolutie terwijl u wacht

http://www.kennislink.nl/publicaties/evolutie-terwijl-u-wacht

“De strop  van de evolutiebiologie is dat hypotheses niet te testen zijn.” Toch wel, wijst het symposium Experimentele evolutie uit.

Evolutie is biologie voor oude mannen, schreef Ronald Plasterk ooit.Je hoeft geen natte proeven te doen en je kunt lekker filosoferen.

 Niemand kan je tegenspreken: zonder experimenten kan niemand je idee weerleggen. De studies naar fossielen of het genoom leveren een mooie fylogenetische stamboom en wat hypotheses op. Het testen van die hypotheses is echter erg lastig.

Bovendien blijven fundamentele vragen liggen, bijvoorbeeld: is de uitkomst van evolutie te voorspellen?

Deze vraag veroorzaakte het recente dispuut tussen Simon Conway Morris en de twee jaar geleden overleden Stephen J. Gould. Volgens Gould hangt evolutie van toevalligheden aan elkaar. Zou je de hele evolutie opnieuw kunnen doen, dan bevolkten nu hele andere wezens de aarde. Dat de mens is ontstaan, noemt hij ‘een schitterend ongeluk’. Niet waar, vindt Morris. Evolutie is dwingend, een volgende keer ontstaan opnieuw – ongeveer – dezelfde levensvormen. Evolutie volgt de beperkingen van natuurkundige principes, dat is bijvoorbeeld de reden dat bomen niet hoger kunnen worden dan 120 meter.

 
Diepvries

Experimentele evolutiebiologen zoeken naar wetmatigheden, waarmee evolutie wèl te voorspellen is.Prof. dr. Rolf Hoekstra en dr. Arjan de Visser organiseren het symposium Experimentele evolutie, op 2 april in Wageningen.

Hoekstra:

Micro-organismen zijn het meest geschikt, vanwege de korte generatietijd. Met gist of bacteriën ben je binnen de kortste keren duizend generaties verder. Daarvan kijk je hoe die zich ontwikkeld hebben.’

‘Bovendien zijn bacteriën in de vriezer te stoppen,’ licht Arjan de Visser toe.

˜Wij zeggen altijd: in onze diepvries liggen de fossielen! Later haal je die er weer uit zodat je een bacterie kunt vergelijken met zijn voorouder van bijvoorbeeld honderd generaties terug. Met Drosophila en echte fossielen lukt dat natuurlijk niet.’

Richard Lenski,
Het bekendste evolutie-experiment is dat van Richard Lenski, van de Michigan State University.
Zijn proef begon in 1988 en duurt nog altijd voort.
Lenski startte met één E. coli.
Die liet hij tot een kolonie groeien en de kolonie verdeelde hij over twaalf erlenmeyers.
Daarin zaten dus genetisch identieke bacterieën.
De eerste acht uur kregen ze een overdaad aan glucose, daarna liet Lenski ze 16 uur ‘hongeren’ in een medium met minimaal glucose.
Elke dag entte hij één procent van iedere cultuur in een verse erlenmeyer.
Wat overbleef vroor hij in.
En dat elke dag opnieuw.
Behalve een enorme vrieskast, beschikt Lenski nu over een knap staaltje evolutie.
De generatietijd van deze E.coli’s is ongeveer 3,5 uur; Lenski heeft in zijn lab al meer dan 30.000 generaties E. coli evolutie achter de rug. Vergelijk dat eens met de mens, die is zover nog lang niet.
Ervan uitgaande dat Homo sapiens zo’n 150.000 jaar geleden ontstond en een generatietijd heeft van 20 jaar, zit onze soort op slechts 7500 generaties.Van alle twaalf stammen is de uitgangssituatie identiek – ze komen van één E. coli- en zijn de omgevingsfactoren gelijk – een dagelijkse cyclus van overdaad en schaarste aan voedsel.
Alle twaalf vertonen parallelle veranderingen.
Zo groeiden de twaalf stammen in 1999 al zestig procent harder dan hun voorouder uit 1988.
Ook zijn alle twaalf twee maal zo groot als de oercel waaruit ze ontstonden.
Dat duidt op parallelle evolutie: alle twaalf stammen hebben zich aangepast aan de glucoseschaarste.Parallel
Met micro-arrays kijkt Lenski nu naar de genetische verschillen. Vorig jaar vergeleek hij de genen van twee stammen na 20.000 generaties met de genen van hun voorouder.
Allebei de stammen vertoonden significante verschillen in expressie van 59 genen. En opmerkelijk genoeg waren alle 59 in dezelfde richting veranderd ten opzichte van de oer- E coli.
Eén van die mutaties ligt in het gen spoT (spreek uit als spoetie), dat verantwoordelijk is voor verandering van groeisnelheid als het voedsel opraakt.
Toen Lenski de spoT mutatie in de voorouderbacterie bracht, vertoonde deze een snellere groei en ook andere fenotypische veranderingen die zich manifesteren bij stammen na 20.000 generaties.
Echter, het overzetten van een spoT-mutatie in een andere 20.000-generatiesstam, had geen effect. Kennelijk was daar al een mutatie opgetreden die hetzelfde effect had (snellere groei).Een mooi bewijs voor parallelle evolutie, en koren op de molen van Simon Conway Morris. (?)
Toch is het nog te vroeg om conclusie te trekken over de voorspelbaarheid van evolutie, waarschuwt De Visser, die als postdoc bij Lenski heeft gewerkt.
Lenski ziet ook mutaties die uniek zijn. Enkele stammen groeien bijvoorbeeld ook op maltose in plaats van glucose, maar niet allemaal.’
Hoekstra:
Simpele voorspellingen lukken wel. Je kunt bacterieën kweken op agar met antibiotica, dat levert geheid een mutant op die antibioticaresistent is. Maar dat is natuurlijk flauw. Het is voorlopig nog lastig om meer ingewikkelde uitkomsten van evolutie te voorspellen.’

Samenwerking
Evolutiebiologen zijn zeer geIinteresseerd in samenwerking; samenwerking is leuk, maar als een individu niet meewerkt en alleen profiteert, werkt het niet. Velicer bestudeert sociaal gedrag van de bacterieMyxococcus xanthus. Deze bacteriën kunnen gezamenlijk over agar bewegen, doordat ze met elkaar communiceren via extracellulaire eiwitten. Communicatie kost energie, dus soms is het voordeliger om individueel over agar te bewegen. Velicer heeft een nieuwe vorm van sociaal gedrag ontdekt. Hij heeft het gen voor
die extracellulaire eiwitten uitgeschakeld, waarna de populatie M. xanthus een nieuwe samenwerkingsvorm ontwikkelde.

Bruce Levin ziet elke bacteriële infectie bij de mens als een evolutie-experiment. De populatie evolueert, en het menselijk immuunsysteem vormt de natuurlijke selectie. Dat bootst hij na in het lab, met fagen en muizen. Een bacterie die resistent is geworden tegen antibiotica, groeit – ook in afwezigheid van antibiotica – minder hard: aan het resistent worden zijn kosten verbonden. Als Levin die resistent geworden bacteriën in een milieu zonder antibiotica stopt, krijgt de bacterie razendsnel zijn oorspronkelijke groeisnelheid terug. En dat kwam niet door een ‘terugmutatie’. Secundaire mutaties gaven de resistente bacterie zijn oorspronkelijke groeitempo terug. De kans op een terugmutatie is heel erg klein, wat betekent dat evolutie niet terug zal gaan. Evolutie is niet reversibel.

Literatuur
Tim Appenzeller Science 284: 2108-2110 (1999)
Cooper et al PNAS 100: 1072-1077 (2003)
Lenski et al Nature 423: 139-144 (2003)
Velicer and Yu Nature 425: 75-78 (2003)

Bionieuws wordt uitgegeven door het
Nederlands Instituut voor de Biologie (NIBI)

LINKS

Adaptive Mutation: How Growth under Selection Stimulates Lac+ Reversion by

Increasing Target Copy Number

John R. Roth1* and Dan I. Andersson2,3Microbiology Section, University of California, Davis, Davis, California 95616,1 Department of Bacteriology, Swedish Institute for Infectious Disease Control, S-171 82 Solna,2 Microbiology and Tumour Biology Center, Karolinska Institute, S-171 77, Solna, Sweden3

From the time of Darwin until about 1950, a controversy continued over whether selective stress induces mutations or only affects the relative reproductive success of organisms with different genotypes (30).

The controversy was resolved by the classic experiments of Luria and Delbrück (27) and of Lederberg and Lederberg (25), who showed that some bacterial mutants arise prior to application of the selection that allows their detection and thus could not have been caused by selective conditions.

However, these experiments used lethal selections and therefore did not eliminate the possibility that another fraction of total mutations might be formed in response to stress and be detected only by nonlethal selectionShapiro and Cairns et al. reopened the controversy by pointing out this caveat and presenting data that seemed to support stress-induced mutation (745).

Because very few genetic systems behave in ways that suggest stress-induced mutation, the rare cases that seem to exhibit such behavior have attracted close attention. In one case,mutants were later shown to preexist selection (14282944).

For the system devised by Cairns and Foster (5), we suggest that reversion occurs by a multistep process initiated prior to selection and the appearance of stress-induced mutagenesis results from growth under strong selection.

Het experiment van LURIA DELBRUCK  in 1943,

LENSKI –

Feature article in Science magazine–“Test tube evolution catches time in a bottle” by Tim Appenzeller–on our research with evolving bacteria

Column on our research with digital organisms from Natural History magazine [Posted with permission of author Carl Zimmer, illustrator James Marsh, and Natural History magazine.]

Also of interest …

A free journal issue on experimental evolution

Biology Letters is offering free access to   :  its latest issue on “experimental evolution,” <(klik)  an issue edited by Thomas Batailon, Paul Joyce, and my friend Paul Sniegowski.

Feature Articles

Introduction – As it happens: current directions in experimental evolution
by Thomas Bataillon, Paul Joyce and Paul Sniegowski

Temperature, stress and spontaneous mutation in Caenorhabditis briggsae and Caenorhabditis elegans
by Chikako Matsuba, Dejerianne G. Ostrow, Matthew P. Salomon, Amit Tolani and Charles F. Baer

Mutational effects depend on ploidy level: all else is not equal
by Aleeza Gerstein

Genetic background affects epistatic interactions between two beneficial mutations
by Yinhua Wang, Carolina Díaz Arenas, Daniel M. Stoebel and Tim F. Cooper

Epistasis between mutations is host-dependent for an RNA virus
by Jasna Lalic and Santiago F. Elena

The role of ‘soaking’ in spiteful toxin production in Pseudomonas aeruginosa
by R. Fredrik Inglis, Alex R. Hall and Angus Buckling

Experimental evolution of multicellularity using microbial pseudo-organisms
by David C. Queller and Joan E. Strassmann

Model and test in a fungus of the probability that beneficial mutations survive drift
by Danna R. Gifford, J. Arjan G. M. de Visser and Lindi M. Wahl

Evolution of clonal populations approaching a fitness peak
by Isabel Gordo and Paulo R. A. Campos

Evolutionary rescue of a green alga kept in the dark
by Graham Bell

Competition and the origins of novelty: experimental evolution of niche-width expansion in a virus
by Lisa M. Bono, Catharine L. Gensel, David W. Pfennig and Christina L. Burch

Related Content

Discussion Meeting issue ‘Genetics and the causes of evolution: 150 years of progress since Darwin’ organized and edited by Michael Bonsall and Brian Charlesworth

‘Genomics of Adaptation’ Guest Edited by Professor Jacek Radwan and Dr Wiesław Babik

Evolution articles
Special Feature articles

°

http://www.sciencepalooza.nl/2012/02/evolutie-in-een-reageerbuis/
09.02.2012

EVOLUTIE   IN EEN  REAGEERBUIS
 2 reacties

Honderden miljoenen jaren geleden vond  een van de belangrijkste stappen in de evolutie van het leven plaats:  de overgang van eencellig naar meercellig leven.

Veel onderzoekers vermoeden dat deze stap zich waarschijnlijk meerdere keren (onafhankelijk van elkaar) en op verschillende tijden in de evolutie heeft voorgedaan.

Dit heeft uiteindelijk geleid tot de vorming van het planten-, dieren- en schimmelrijk zoals wij het nu kennen.

Evolutiebiologen tasten echter nog in het duister over hoe dat precies is gebeurd. Recent onderzoek met bakkersgist, verbluffend eenvoudig in opzet, schijnt een nieuw licht op deze belangrijke overgang van ééncellig naar meercellig leven.

Experimentele evolutie I: van oersoep naar eencellig leven?


Door zeer oude fossielen nauwkeurig te bestuderen komen we veel te weten over allerlei evolutie-vraagstukken. Fossielen met aanwijzingen over hoe de overgang van een- naar meercellig leven heeft plaatsgevonden zijn echter nog nauwelijks gevonden.

Naast fossielen bestuderen, kan men evolutie ook bestuderen door gecontroleerde evolutie-experimenten uit te voeren.

Een goed voorbeeld hiervan is  het zeer befaamde evolutie-experiment uitgevoerd door Stanley Miller en Harold Urey in 1953.

Zij probeerden de oersoep en oeratmosfeer (inclusief bliksem) na te bootsen, waaruit het leven 4,5 miljard jaar geleden op aarde zou zijn ontstaan. In het experiment werd een mengsel van methaan, ammoniak, waterdamp en waterstofgas, in een gesloten opstelling van glazen flessen en buizen, verwarmd en blootgesteld aan elektrische ontladingen.

Na een week analyseerden Urey en Miller het mengsel en vonden onder andere verschillende aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Er waren echter geen aanwijzingen dat DNA en RNA, het waarschijnlijke startpunt van ‘leven’,  zich zou kunnen vormen in dit experiment.

Nucleotiden, de bouwstenen van DNA en RNA, werden namelijkniet gevonden. Dit klassieke experiment was de eerste poging om het ontstaan van leven op aarde uit de zogenaamde oersoep aan te tonen.

Een groot obstakel bij dit soort experimenten is dat ze gebaseerd zijn op hypothetische condities, omdat het nu eenmaal onmogelijk is de situatie van honderden miljoenen jaren geleden exact te kennen.

Experimentele evolutie II: van eencellig naar meercellig leven!


Gecontroleerde evolutie-experimenten kunnen echter wel de (on-)mogelijkheden van het evolutionaire proces in kaart brengen. 
Onderzoekers van de universiteit van Minnesota, zijn er onlangs in geslaagd om in een experiment daadwerkelijk de eerste stappen van de overgang van ééncellig naar meercellig leven aan te tonen.

De onderzoekers gebruikten voor hun experimenten het eencellige micro-organisme Saccharomyces Cerevisiae, (1)beter bekend als (bakkers)gist. Gist wordt in ons dagelijks leven gebruikt voor de productie van brood, bier en wijn. In de wetenschap is het een geliefd model voor allerlei onderzoek, omdat het makkelijk genetisch is aan te passen en het zich snel vermenigvuldigt.

Centrifuge als natuurlijke selectie

De onderzoekers groeiden gistcellen in kweekmedium. Ze centrifugeerden de cellen vervolgens heel kort, zodat zwaardere samengeklonterde cellen zich naar de bodem begeven. De onderzoekers namen vervolgens een klein beetje van geclusterde cellen van de bodem en verdunden dit in vers kweekmedium om de cellen verder te laten groeien. Op deze manier werd gedurende zestig generaties (één generatie = één verdunningsstap) geselecteerd op geclusterde gistcellen.  De centrifugatie stap deed dus dienst als een vorm van natuurlijke selectie, of beter gezegd experimentele selectie, omdat het een makkelijk uitvoerbare manier is om te selecteren op zwaardere geclusterde cellen (misschien de primitiefste vorm van multicellulair leven).

Op het eind bekeken de onderzoekers de gistcellen onder een microscoop en zagen dat de gistpopulatie werd gedomineerd door multicellulaire clusters, in de vorm van een sneeuwvlok, bestaande uit meerdere aanelkaar gehechte individuele cellen. Nu is het natuurlijk niet vreemd, dat als je selecteert op zwaardere cellen via centrifugatie dat je die multicellulaire clusters ook vindt.

Maar zijn deze clusters nu ook echt een aparte vorm van leven? Kunnen ze zich bijvoorbeeld voortplanten?

Voortplanten en aanpassen


Deze meercellige clusters kunnen op twee manieren zijn ontstaan:

(1) eencelligen plakken aan elkaar of

(2) een gistcel deelt zich in tweeën, maar snoert niet volledig af.

Waarbij de laatste manier  het meest interessante proces is. Om te testen welke van deze twee hypothesen waar is, werden losse cellen van meercellige clusters ‘afgeknipt’. Deze ‘afgeknipte’ eencelligen werden vervolgens verder gegroeid en gevolgd door een op een microscoop aangesloten camera.

Op het filmpje (Movie S01) is te zien dat elke cel apart uitgroeit naar een multicellulaire ‘sneeuwvlok’ via opeenvolgende onvolledige delingen, zonder dat ‘afgeknipte’ eencelligen aan elkaar gaan plakken.

Uit volgende experimenten bleek ook dat gehele sneeuwvlokken zich kunnen voortplanten (zie dit filmpje (Movie S02)). Ze kunnen zich aanpassen aan hun omgeving en individuele cellen binnen de sneeuwvlok  kunnen zichzelf opofferen om de voortplanting van de gehele sneeuwvlok te vergemakkelijken.

Met een paar simpele, elegante experimenten laten de onderzoekers zien dat uit een van origine eencellig organisme (bakkersgist), een primitieve vorm van multicellulair leven kan ontstaan. Als onderzoekers op zo een eenvoudige manier meercellig leven kunnen laten ontstaan is het niet ondenkbeeldig dat ook buiten het lab, in het echte leven, nog evolutie van eencelligen naar meercelligen plaatsvindt. Misschien leiden deze nieuwe meercellige organismen over miljoenen jaren wel tot een heel nieuwe tak van leven.

(1)—> zie overigens ook de erg relevante    slijmzwammen  

  1. In een recente publicatie in het Amerikaanse tijdschrift PNAS, van Bart Oud en andere onderzoekers van de TU Delft, laten we zien dat voor de overgang van eencellige naar meercellige bakkersgist maar twee veranderingen in het erfelijk materiaal nodig zijn. Een van deze mutaties zorgt ervoor dat de afbraak van het “tussenschot” tussen moeder- en dochtercel niet normaal wordt afgebroken. De andere, een verdubbeling van het aantal chromosomen, heeft een drastische invloed op vorm en grootte van de meercellige structuren.
    (Jack Pronk, hoogleraar Industriële Microbiologie TU Delft)

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers op de volgende wijze: