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