Stichting FOM 28 juli 2011, 2011/30

Evolutie van cellulaire beslissingen weerspiegelt omgeving

Organismen reageren continu op hun omgeving. Hoe is dat ontstaan? Onderzoekers van het FOM-Instituut AMOLF hebben nu laten zien dat een veranderende omgeving voldoet - een reactie op die veranderingen evolueert dan spontaan binnen de cel. Zij publiceren hun baanbrekende resultaten vandaag in het prestigieuze tijdschrift Cell. Figuur 1. Artist impression van de voorspelling van evolutie vergroten Figuur 1. Artist impression van de voorspelling van evolutie

In de glazen bol is een bacterie te zien die een andere reactie heeft geëvolueerd en een andere richting opzwemt als de populatie waar hij uit voortkomt.
(© Tans/deVos/Tremani)
Figuur 2. Schematische illustratie van het onderzoek vergroten Figuur 2. Schematische illustratie van het onderzoek De bacteriën groeien en delen in een variabele omgeving: in het begin is de interne reactie nadelig en overleven niet veel cellen. Door mutatie en selectie verandert de reactie (een rode respons in een groene omgeving) en groeit de populatie hard. Het rechtergedeelte laat de fitness veranderingen zien: eerst een snelle verbetering, dan een vertraging door een genetische beperking, en uiteindelijk evolutie naar het optimum.
Het leven zelf zou onmogelijk zijn zonder adequate reacties op de omgeving. Cellen zijn continu bezig kansen en gevaren in de omgeving te interpreteren, en reageren daarop met bijvoorbeeld een beweging of productie van een eiwit. Hoe reacties in organismen ontstaan, houdt de evolutiebiologie al sinds Darwin bezig. Het onderliggende samenspel van genetische en omgevingsfactoren heeft AMOLF-groepsleider prof.dr.ir. Sander Tans nu met zijn team ontrafeld.

Zij ontwikkelden een combinatie van twee nieuwe wetenschappelijke richtingen: de synthetische biologie en de systeembiologie. Zij kregen controle over de genetische veranderingen van cellen door een nieuwe E. coli-bacteriestam te produceren. Metingen en wiskundige modellen van het systeem lieten samen zien hoe veranderingen in de omgeving selectiedruk oplevert en daarmee evolutie van de reactie van de cel.

De cellen bleken naar de meest optimale respons evolueren door middel van willekeurige mutaties en competitie. Ze ontwikkelden zich als een perfecte 'spiegel' van hun omgeving: bij elke nadelige verandering in de omgeving produceerde de geëvolueerde cellen neutraliserende eiwitten als tegenbeweging. Door deze perfecte reactie kon de reproductiesnelheid maximaal blijven tijdens de variaties.

Dit multidisciplinaire onderzoek opent de deur om meer gebruik te maken van de evolutiebiologie als voorspellende wetenschap. Bovendien leveren de veelbelovende resultaten veel nieuwe vragen op. Want, betekent dit dat ook wij een perfecte spiegel zijn van onze omgevingshistorie? Ligt de onberekenbaarheid van evolutie dan vooral in de ongewisse omgeving, of toch ook in de organismen zelf? Meer algemeen, wat zijn eigenlijk de beperkingen van evolutie? Het werk gaf hierop al een kleine vooruitblik; want hoewel de evolutionaire uitkomst optimaal was, bleek het evolutionaire pad haperingen te vertonen. De onderzoekers konden deze haperingen terugvoeren tot specifieke interacties tussen aminozuren in een regulatie-eiwit, waardoor er zeldzame combinaties van meerdere mutaties nodig waren voor de aanpassing.

Referentie
Tradeoffs and optimality in the evolution of gene regulation, Frank J. Poelwijk, Marjon G. J. de Vos & Sander J. Tans

Contact
Prof.dr.ir. Sander Tans, 06-31 95 90 67