In Dr. Richard Lenskis ehrgeizigem 30-jährigem Experiment

Was 60.000 Generationen von Bakterien über unsere Welt aussagen

Kunst: Natalya Zahn

Wie weit können Sie Ihren Stammbaum zurückverfolgen?

Meine Linie um meine 5. Urgroßmutter herum ist verschwommen: 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 auch britische Könige haben es schwer, mit den Konfuzianern mitzuhalten. Nachkommen dieses chinesischen Philosophen haben über 80 Generationen von Vorfahren sorgfältig nachverfolgt.

Konfuzius 'Linie gewinnt den Preis für die längste dokumentierte Genealogie der Menschheit, aber die Ausweitung des Wettbewerbs auf alle Lebensformen schlägt sie zu einem entfernten Zweitplatzierten.

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

Keine menschliche Familie kann mit dem Stammbaum dieser Bakterien mithalten. Der anatomisch moderne Mensch existiert erst seit etwa 12.000 Generationen. Ich habe mich nur mit meiner Abstammung befasst, weil ich wissen wollte, ob ich von jemandem abstammte, der berühmt war (kein Glück). Das Lenski-Labor verfolgt ein völlig anderes Ziel. Sie verstehen, dass jede Generation Veränderungen einführt und dass diese allmählichen Veränderungen die Grundlage dafür sind, 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 Flaschentablett aus dem Langzeitevolutionsexperiment 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 in Gefrierschränken aufbewahrt. Dies sind jedoch lebende Fossilien. Jede dieser Kulturen kann wiederbelebt werden zum Experimentieren und zur DNA-Sequenzierung.

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

Das Experiment begann mit 12 leicht unterschiedlichen Populationen oder Stämmen von E. coli, die alle ursprünglich aus einer einzelnen Zelle stammten und in Brühe vorhandene Glucose als einzige Kohlenstoffquelle für Energie verwendeten. Die Wissenschaftler züchteten diese Stämme in Brühe, die nur wenig Glucose 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 Glucosegehalt hungerten diese Mikroben.

Ungefähr 31.000 Generationen später verließen sich 11 von 12 Stämmen immer noch ausschließlich auf Glukose, um die 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 Arbeitsfläche statt, und durch einfaches Öffnen einer Gefriertür konnte genau festgestellt werden, wann und wie diese Änderungen stattfanden. Mithilfe ihres handlichen Fossilienfrostbestands 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 verdauen können und was nicht. Die Laktase-Persistenz, die Fähigkeit eines erwachsenen Menschen, Milchzucker-Laktose zu verdauen, zum Beispiel in einer Gallone Eiscreme, wenn es ihr gefällt, 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 aufeinander aufbauen, daher ist es schwieriger, die Einzelheiten zu bestimmen, aber die Laktasepersistenz ist schätzungsweise vor etwa 7500 Jahren aufgetreten (ca. 300 menschliche Generationen), kurz nachdem die Menschen herausgefunden hatten, wie sie domestizieren sollen Rinder (gehen Figur).

Woher kommen diese neuen Eigenschaften? Die E. coli-Forschung von Lenski stützt die Idee, dass sich neue Merkmale aus den richtigen Kombinationen zufälliger genetischer Veränderungen ergeben, die zwar äußerst selten sind, aber mit 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 kommt es zu nützlichen genetischen Veränderungen, 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 wird durch Gene verursacht, die ständig zufällige Mutationen aufweisen. Wenn Sie gesund sind und keine Antibiotika einnehmen, haben diese resistenten Bakterien keinen Vorteil gegenüber anderen Stämmen. Sie bleiben, aber in geringer Anzahl im Verhältnis zu allen anderen vorhandenen Bakterien. Sobald Sie mit der Antibiotikabehandlung beginnen, haben diese Mutanten den Vorteil. Wenn alle anderen getötet werden, können sie gedeihen, die Bevölkerung „durchstreifen“ 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 Wirtes, aber sie haben nicht die gleichen Grenzen wie ihre Wirte. Sie vermehren sich viel schneller, existieren in weitaus größerer Zahl und tauschen Gene auf eine Weise aus, die Menschen nicht können. Sie helfen uns auch, wie Richard Lenskis Arbeit zeigt, unser Primatengehirn um die scheinbar unmögliche Aufgabe zu wickeln, zu verstehen, wie Evolution tatsächlich funktioniert.

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

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