Opname met een rasterelektronenmicroscoop van de gist Saccharomyce cerevisiae, bakkers- of brouwersgist.
Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Genetische fouten kunnen op langere termijn evolutionair voordeel bieden

Op het eerste gezicht lijkt evolutie een verhaal van constante, stapsgewijze vooruitgang. Wie verzwakt, gaat volgens Darwins principe van natuurlijke selectie ten onder. Toch kunnen genetische defecten die een organisme in eerste instantie verzwakken, de overlevingskansen op langere termijn vergroten. Tot deze bevindingen komen bio-ingenieurs van KU Leuven en VIB op basis van experimenten met gisten. Ze betekenen een belangrijke stap vooruit in ons begrip van evolutie. 

Om evolutionaire processen te bestuderen, heb je een goed onderzoeksmodel nodig. Onderzoekers hebben voor dergelijke onderzoeken graag organismen die zich snel voortplanten zodat ze op korte tijd veel generaties kunnen bestuderen en gist is daar een goed voorbeeld van. Gisten zijn eencellige organismen die zich ongeveer elk anderhalf uur delen: op enkele weken tijd kan je dus honderden generaties kweken.

Jana Helsen van het Centrum voor Microbiële en Plantengenetica kweekte voor haar doctoraatsonderzoek verschillende giststammen en bootste zo evolutie na in het lab. In totaal kweekte ze 150 generaties van 50 verschillende stammen.

"Enerzijds gebruikten we gewone, ‘gezonde’ gisten, maar anderzijds schakelden we in andere stammen telkens één gen uit. Deze stammen, die elk een genetisch defect droegen, startten de race dus eigenlijk met een handicap. Tot onze verbazing groeide de meerderheid van deze beschadigde stammen na enkele weken juist sneller dan de stammen waarin we geen gen uitgeschakeld hadden. Aan het einde van de rit zijn ze dus beter ontwikkeld en planten ze zich sneller voort."

Ingekleurde microscopische opname van de gistsoort Candida tropicalis.
Djspring/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Baraque Fraiture of Mount Everest

De bevindingen tonen aan dat evolutie niet alleen een verhaal is van continue verbetering.

"Je kan de evolutionaire biologie bekijken als een landschap met heuvels en bergen van verschillende hoogte", legt professor Kevin Verstrepen van de KU Leuven en het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB) uit. "De theorie van Darwin stelt dat alle levende wezens met kleine pasjes bergop gaan, naar de top van een lokale berg. Hoe hoger op de berg, hoe beter ze aangepast zijn aan de omgeving. Maar soms blijkt er verderop nog een hogere top te liggen. Wie die andere top wil bereiken, zal eerst echter door een vallei moeten gaan. Normaal gezien kan dat niet, want de evolutionaire race dwingt elk wezen omhoog. Wie omlaag gaat, verliest en sterft uit." 

"In principe zou evolutie soms vast komen te zitten op een lokale heuvel, de Baraque Fraiture zeg maar, zonder veel perspectief om nóg sterker te worden en de top van de Mont Blanc of de Mount Everest te bereiken. En toch zien we dat evolutie niet stilvalt, en er af en toe dramatische verbeteringen optreden waarbij organismen een nieuwe, hogere piek beklimmen", vult professor Rob Jelier van de KU Leuven aan.

"Ons onderzoek toont nu aan dat genetische defecten een mogelijke verklaring bieden. Zulke defecten treden spontaan op en ze kunnen een organisme in één klap van een berg doen tuimelen. In eerste instantie verzwakt het organisme, maar met wat geluk krijgt het vanuit die vallei net toegang tot een hogere piek die niet toegankelijk is voor de gezonde organismen die als het ware gevangen blijven zitten op de lokale Baraque Fraiture." 

"Dit gebeurt uiteraard niet bij alle genetische defecten: soms verzwakt het organisme in die mate dat het niet meer kan evolueren. Het komt er op aan om snel terug op een piek te geraken, want anders is de evolutie genadeloos. We zien ook dat een defect in verschillende genen met een gelijkaardige functie vaak tot eenzelfde traject naar eenzelfde nieuwe bergtop leidt, of juist naar een diepe vallei waaruit geen ontsnappen mogelijk is. Dit leert ons veel bij over de kaart van het evolutionaire landschap", zei professor Jelier.

Organismen met een volledig genoom (blauw) kunnen enkel de fitness-top bereiken van de berg die ze reeds aan het beklimmen zijn, zelfs als er verderop hogere toppen liggen. Een genetisch defect kan een organisme in een fitnessvallei brengen (rood), en vandaar kan het organisme op langere termijn alsnog hogere pieken bereiken.
Jana Helsen, Kevin Verstrepen, Rob Jelier et al., Molecular Biology and Evolution.2020

Nakomelingen

"Onze resultaten wijzen erop dat genetische defecten niet alleen nadelig zijn", zo besluit Jana Helsen. "Ze zijn een noodzakelijk onderdeel van het evolutionair proces omdat ze op iets langere termijn een voordeel kunnen bieden. De evolutie is niet gericht op het individu, wel op de toekomst en de overlevingskansen van de nakomelingen. Een stap achteruit kan daarom soms nodig zijn om vervolgens verder te springen.  Ook de mens heeft gemiddeld wel 100 genen die defect zijn: ze kunnen het individu dus mogelijk wat verzwakken, maar misschien worden de nakomelingen zo wel betere bergbeklimmers." 

De studie 'Gene loss predictably drives evolutionary adaptation' van Jana Helsen, Kevin Verstrepen, Rob Jelier et al. is gepubliceerd in Molecular Biology and Evolution. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de KU Leuven.

Een kweek van de gist Candida albicans.
CDC/Public domain

Meest gelezen