In Dr. Richard Lenskis ehrgeizigem 30-Jahres-Experiment

Was 60.000 Generationen von Bakterien über unsere Welt erzählen

Kunst: Natalya Zahn

Wie weit zurück können Sie Ihren Stammbaum verfolgen?

Meine Abstammung um meine 5. Urgroßmutter herum verschwimmt: Rebecca Ellsworth aus New York. Königin Elizabeth (anscheinend eine viel bessere Rekordhalterin als ich) kann ihre Abstammung bis zu ihrem 32. Urgroßvater zurückverfolgen: König Alfred der Große von Wessex. Aber selbst britische Könige haben es schwer, mit den Konfuzianern Schritt zu halten. Nachkommen dieses chinesischen Philosophen haben über 80 Generationen von Vorfahren sorgfältig verfolgt.

Konfuzius 'Linie gewinnt den Preis für die am längsten dokumentierte Genealogie der Menschheit, aber die Ausweitung der Konkurrenz auf alle Lebensformen bringt sie zu einem entfernten, entfernten Zweitplatzierten.

Der Evolutionsbiologe Richard Lenski von der Michigan State University führt seit 1988 ein Experiment mit dem bescheidenen Darmbakterium Escherichia coli durch. Da diese Bakterien unter idealen Laborbedingungen etwa alle 20 Minuten eine neue Generation starten können, konnte Lenskis Team dies sorgfältig überwachen und bewahren Sie über 60.000 Generationen von E. coli-Vorfahren.

Keine menschliche Familie kann möglicherweise mit den genealogischen Daten dieser Bakterien konkurrieren. Anatomisch moderne Menschen existieren erst seit etwa 12.000 Generationen. Ich habe nur in meine Vorfahren geschaut, weil ich wissen wollte, ob ich von jemandem abstamme, der berühmt ist (kein solches Glück). Das Lenski-Labor hat ein ganz anderes Ziel. Sie verstehen, dass jede Generation Veränderungen einführt und dass diese allmähliche Veränderung die Grundlage dafür ist, wie sich alles Leben entwickelt. Wie kommen diese Veränderungen zustande? Wie schnell treten sie auf? Das Lenski-Labor verwendet diese winzige Darmmikrobe, um diese großen Fragen zu beantworten.

Richard Lenski mit einem Tablett mit Flaschen aus dem Langzeit-Evolutionsexperiment in seinem Labor an der Michigan State University am 26. Mai 2016. (Bildnachweis: Zachary Blount)

Forscher im Labor vermehren und überwachen kontinuierlich Bakterienkulturen. Alle paar Monate (oder ungefähr 500 Generationen) wird ein Teil der Bakterienzellen zusammen mit all ihren Vorfahren im Rahmen eines „gefrorenen Fossilienbestandes“ in Gefrierschränken aufbewahrt. Aber dies sind lebende Fossilien - jede dieser Kulturen kann für Experimente und DNA-Sequenzierung wiederbelebt werden.

Im Verlauf ihres Experiments hat das Lenski-Team einige aufregende Veränderungen festgestellt. In einem extremen Beispiel beobachteten sie die Entwicklung eines brandneuen Merkmals: die Fähigkeit, eine neue Art von Lebensmitteln zu verdauen.

Das Experiment begann mit 12 leicht unterschiedlichen Populationen oder Stämmen von E. coli, die ursprünglich alle aus einer einzelnen Zelle stammten und alle in der Brühe vorhandene Glucose als einzige Kohlenstoffquelle für Energie verwendeten. Die Wissenschaftler züchteten diese Stämme in Brühe, die nur wenig Glukose enthielt, aber (aus technischen Gründen) zufällig viel Citrat enthielt. Citrat ähnelt Glucose, aber keiner der E. coli-Stämme konnte Citrat so metabolisieren wie Glucose. In der Umgebung mit niedrigem Glukosegehalt hungerten diese Mikroben.

Ungefähr 31.000 Generationen später waren 11 von 12 Stämmen immer noch ausschließlich auf Glukose angewiesen, um Energie zu reproduzieren, aber ein Stamm entwickelte die Fähigkeit, auch Citrat zu essen. Folglich konnten diese Citrat-verwendenden Bakterien in den glucosearmen / Citrat-reichen Medien viel besser wachsen als ihre 11 Geschwisterstämme. Ta da! Die Evolution fand genau dort auf der Tischplatte statt, und das einfache Öffnen einer Gefriertür konnte genau zeigen, wann und wie diese Änderungen stattfanden. Mithilfe ihres handlichen gefrorenen Fossilienbestandes belebten die Forscher Vorfahren in der Linie, aus der Citrat fressende Bakterien hervorgingen, und zeigten die Schritte auf, die erforderlich waren, damit dieses neue Merkmal zustande kam.

Der Mensch hat evolutionäre Veränderungen in dem erlebt, was wir auch verdauen können und was nicht. Die Laktase-Persistenz, die Fähigkeit eines erwachsenen Menschen, die Milchzucker-Laktose beispielsweise in einer Gallone Eis zu verdauen, wenn sie dies wünscht, hat sich vor relativ kurzer Zeit entwickelt. Die meisten Säugetiere können Laktose nur als stillende Säuglinge verdauen, aber einige Populationen von Menschen behalten diese Fähigkeit für ihr ganzes Leben bei. Wir können Hunderte von Generationen von Menschen nicht wiederbeleben und sequenzieren, daher ist es schwieriger, die Einzelheiten zu bestimmen, aber die Laktasepersistenz ist schätzungsweise vor etwa 7500 Jahren (~ 300 menschliche Generationen) aufgetreten, kurz nachdem die Menschen herausgefunden hatten, wie sie domestizieren sollen Rinder (siehe Abbildung).

Woher kommen diese neuen Eigenschaften? Lenskis E. coli-Forschung stützt die Idee, dass neue Merkmale aus genau den richtigen Kombinationen zufälliger genetischer Veränderungen entstehen, die zwar äußerst selten sind, aber bei genügend Zeit auftreten. Einige DNA-Mutationen bewirken überhaupt keine offensichtliche Veränderung eines Organismus. Andere Mutationen sind unglaublich schädlich, wie die Mutationen im menschlichen BRCA1-Gen, die manche Menschen anfällig für Brustkrebs machen. Aber hin und wieder treten vorteilhafte genetische Veränderungen auf, die einen Organismus fitter, glücklicher und produktiver machen. Jede neue Generation hat die Chance, neue Verbesserungen zu erforschen.

Die für neue Merkmale verantwortlichen DNA-Mutationen treten zufällig auf, auch wenn kein Selektionsdruck besteht. Zum Beispiel enthält Ihr Darm antibiotikaresistente Bakterien. Die Antibiotikaresistenz ist ein Merkmal von Genen, die ständig zufällige Mutationen erfahren. Wenn Sie gesund sind und keine Antibiotika einnehmen, haben diese resistenten Bakterien keinen Vorteil gegenüber anderen Stämmen. Sie bleiben erhalten, jedoch in geringer Anzahl im Vergleich zu allen anderen vorhandenen Bakterien. Sobald Sie mit der Antibiotikabehandlung beginnen, haben diese Mutanten den Vorteil. Wenn alle anderen getötet werden, können sie gedeihen, durch die Bevölkerung „fegen“ und andere Stämme ersetzen.

Die Identifizierung anderer Treiber und Konsequenzen der mikrobiellen Evolution ist ein aktives Forschungsgebiet, das Medizin und Evolutionsbiologie miteinander verbindet. Mikroben haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Gesundheit ihres Wirts, aber sie haben nicht die gleichen Grenzen wie ihre Wirte. Sie vermehren sich viel schneller, existieren in weitaus größerer Zahl und tauschen sogar Gene auf eine Weise aus, die Menschen nicht können. Sie helfen uns auch, wie Richard Lenskis Arbeit zeigt, unser Primatenhirn um die scheinbar unmögliche Aufgabe zu wickeln, zu verstehen, wie Evolution tatsächlich funktioniert.

Darwin selbst konnte mit seinem Maßband und seiner Vogelschnabelsammlung wirklich nur zeigen, dass Evolution stattfindet. Zu verstehen, wie es passiert und was es als nächstes für uns bringen könnte, ist die Aufgabe dieser Generation - mit Hilfe einiger Mikroben. Es mag für eine Person schwierig sein zu verstehen, dass Evolution ein fortlaufender Prozess ist, aber denken Sie daran, dass ein Jahr Ihres Lebens viele Generationen von Möglichkeiten für Ihr Mikrobiom und Sie bietet, sich weiterzuentwickeln.

I Contain Multitudes ist eine mehrteilige Videoserie, die sich der Erforschung der wunderbaren, verborgenen Welt des Mikrobioms widmet.