Dugoročni eksperiment evolucije ešerihije koli

Dugoročni eksperiment evolucije ešerihije koli (engl. E. coli long-term evolution experiment, LTEE) studija je u toku iz oblasti eksperimentalne evolucije koju vodi Ričard Lenski, i koja prati genetičke promene u 12 skoro identičnih populacija bespolne bakterije ešerihija koli počev od 24. februara 1988. godine.

Dvanaest razvijenih populacija E. coli, 25 jun 2008.

Od početka eksperimenta, Lenski i njegove kolege su objavili veliki broj genetičkih promena; određene evolucione adaptacije su se pojavile u svih 12 populacija, dok su se druge pojavile u samo jednoj ili nekoliko populacija. Jedna prilično upadljiva adaptacija je evolucija jednog soja E. coli bakterije koji je razvio mogućnost da se hrani limunskom kiselinom iz hranjivog rastvora.

Eksperimentalni pristup

Dugoročni eksperiment evolucije je imao za cilj pronalaženje eksperimentalnih dokaza za nekoliko centralnih problema evolucione biologije: varijacije brzine razvitka tokom vremena, nivo do kog su evolucione promene ponovljive u razdvojenim populacijama ali u identičnim okruženjima i odnosi između evolucije i fenotipskih i genotipskih nivoa.

Korišćenje E. coli za eksperiment omogućava izučavanje mnogo generacija velikih populacija za relativno kratko vreme i omogućava da eksperimentalne metode (usavršene tokom decenija korišćenja E. coli u molekularnoj biologiji) budu prilično jednostavne. Bakterije mogu biti zamrznute i sačuvane, stvarajući ono što je Lenski opisao kao „zamrznuti fosilni zapis“ koji može biti obnovljen u svakom trenutku (i može da se koristi da bi se bilo koja populacija restartovala u slučajevima zagađenja ili drugih problema tokom eksperimenta). Lenski je izabrao samo bespolnu vrstu E. coli koja se takođe ne razvija bakterijskom konjugacijom. Ovo je ograničilo izučavanje na evoluciju zasnovanu na mutacijama i ujedno omogućilo da se genetički markeri ne šire već da se prenose samo na direktno potomstvo.

Metode

Svaka od 12 populacija se čuva u inkubatoru u Lenskijevoj laboratoriji na Mičigen Stejt Univerzitetu u posudama koje ograničavaju veličinu populacije. Svakog dana 1% svake populacije se prebacuje u posudu sa svežim hranjivim rastvorom. Veliki, reprezentativni uzorci svake populacije se zamrzavaju uz pomoć glicerola i to na svakih 500 generacija (75 dana). Populacije se takođe redovno ispituju radi utvrđivanja promena u prosečnoj razvijenosti a dodatni eksperimenti se redovno vrše radi istraživanja interesantnih razvoja unutar populacija. Od 2008. godine, populacije E. coli bakterije su dostigle preko 50 000 generacija i smatra se da je prošlo dovoljno spontanih mutacija da se svaka moguća jedinstvena mutacija u E. coli genomu dogodila više puta.

Prvobitni soj E. coli bakterije za Lenskijev dugoročni eksperiment evolucije je potekao od soja "Bc251", kao što je opisano u naučnom radu Simora Lederberga, preko Brusa Levina (koji je ovaj soj koristio u eksperimentu bakterijske ekologije 1972). Genetičke osobine koje definišu ovu vrstu su: T6^r, Str^r, r⁻m⁻, Ara⁻ (ne može da raste na arabinozi). Pre početka eksperimenta Lenski je pripremio i varijantu Ara⁺ (mutacija ara operona koja omogućava rast na arabinozi). Prvih 12 populacija činilo je 6 Ara⁻ i 6 Ara⁺ kolonija, što je omogućavalo raspoznavanje dveju grupa radi poređenja i ispitivanja razvitka bakterija. U međuvremenu su se razvili jedinstveni genetički markeri koji omogućavaju identifikaciju svakog soja.

Rezultati

Populacija nazvana Ara-3 (u centru) mutnija je zato što je ta populacija razvila sposobnost da koristi limunsku kiselinu iz hranjivog rastvora.

U prvih par godina populacije su doživele nekoliko zajedničkih evolucionih promena. Prosečna razvijenost svake populacije, upoređena sa direktnim precima, povećavala se, u početku brzo, a zatim se uravnotežila negde oko dvadesethiljadite generacije (u tom trenutku je populacija rasla nekih 70% brže nego kod predaka). Sve populacije su razvile veću zapreminu ćelije i manju maksimalnu gustinu populacije i sve su se specijalizovale za prehranjivanje glukozom (što smanjuje razvijenost u sredinama sa drugačijim hranjivim sastojcima). 4 od 12 populacija su razvile defekte u sposobnosti popravke DNK, što je drastično povećalo učestalost mutacija u tim kolonijama. Iako su bakterije u svakoj populaciji najverovatnije imale stotine miliona mutacija u prvih 20 000 generacija, Lenski ocenjuje da je samo 10 do 20 korisnih mutacija dostiglo da budu utvrđene svakoj populaciji, pri čemu je ukupno manje od 100 tačkastih mutacija (uključujući neutralne mutacije) dostiglo da budu utvrđene u svakoj populaciji.

Godine 2008, Lenski i njegove kolege objavljuju da se veoma važna adaptacija dogodila u jednoj od dvanaest populacija: bakterije su razvile sposobnost da koriste limunsku kiselinu kao izvor energije. Divlja E. coli ne može da prenosi limunsku kiselinu kroz ćelijsku membranu u svoju unutrašnjost (gde bi mogla da uđe u Krebsov ciklus) kada je prisutan kiseonik. Time izazvana nesposobnost rasta na limunskoj kiselini u aerobnim uslovima je bila prepoznatljiva odlika ove vrste bakterija i značajna prilikom razlikovanja E. coli od patogene salmonele. Istraživači su otkrili drastično povećanje u veličini populacije u jednoj od kolonija. Otkrili su da su klonovi ove kolonije sposobni da rastu na limunskoj kiselini koja je bila prisutna u hranjivom rastvoru da bi omogućila prikupljanje gvožđa. Ispitivanje uzoraka ranije zamrznutih populacija istraživači su uspeli da utvrde da je ova varijacija evoluirala u populaciji negde između generacija 31 000 i 31 500. Uz pomoć genetičkih markera uspeli su da isključe mogućnost da je E. coli koja može da raste na limunskoj kiselini prouzrokovana zagađenjem populacije. Takođe su otkrili da je sposobnost rasta na limunskoj kiselini moguće ponovo razviti iz zamrznutih genetički čistih predaka ove kolonije koji tu sposobnost nisu imali. Ova ponovna evolucija korišćenja limunske kiseline nije bila moguća sa uzorcima pre generacije 20 000. Čak i u onim generacijama gde je ponovna evolucija ove sposobnosti bila moguća, pokazalo se da je je razvitak ove sposobnosti veoma redak, čak 1 na svakih milijardu ćelija. Autori su na osnovu ovih rezultata došli do zaključka da je sposobnost korišćenja limunske kiseline zavisila od neke druge, neadaptivne mutacije koja je povećala na prihvatnjiv nivo frekvenciju pojavljivanja mutacije koja omogućava korišćenje limunske kiseline (a prikupljeni podaci su sugerisali da su bile potrebne čak dve prethodne mutacije a ne samo jedna). Generalno, istraživači ističu da ovi rezultati ukazuju (sledeći argument Stivena Gulda) da „istorijske nepredljivosti mogu imati dubok i trajan uticaj“ na tok evolucije.

Jedna druga adaptacija koja se dogodila u svim ovim bakterijama je povećanje zapremine ćelije a u mnogim kulturama i zaobljeniji oblik ćelije . Ova promena je delom rezultat mutacije koja je promenila gen za protein koji vezuje penicilin, što je omogućilo mutiranom soju kompetitivnu prednost nad precima u uslovima dugoročnog eksperimenta. Međutim, iako ova mutacija poboljšava razvitak pod ovim uslovima, takođe povećava osetljivost bakterija na osmotski stres i time smanjuje njihovu sposobnost da prežive duge periode u stacionarnim kulturama, pa fenotip ove adaptacije zavisi od uslova u kojima se ćelije nalaze.

Vidi još

• Konzervapedija

Spoljašnje veze

• Bacteria make major evolutionary shift in the lab Bob Holmes New Scientist 09 June 2008
• E. coli Long-term Experimental Evolution Project Site
• List of publications on the experiment
• Lenski dialog – related correspondence