Inuti Dr. Richard Lenskis ambitiösa, 30-åriga experiment

Vad 60 000 generationer av bakterier berättar om vår värld

Konst: Natalya Zahn

Hur långt tillbaka kan du spåra ditt släktträd?

Min släkt blir luddig runt min femte oldemor: Rebecca Ellsworth från New York. Drottning Elizabeth (tydligen en mycket bättre skiva än jag själv) kan spåra sin släkt tillbaka till sin 32: a farfar: kung Alfred den store av Wessex. Men även brittiska royalty har svårt att hålla jämna steg med konfucierna. Ättlingar till denna kinesiska filosof har noggrant spårat över 80 generationer av förfäder.

Confucius 'linje vinner priset för den längsta dokumenterade släktforskningen i mänskligheten, men genom att utöka tävlingen till alla livsformer slås de ner till en avlägsen, avlägsen runner-up.

Evolutionsbiologen Richard Lenski vid Michigan State University har genomfört ett experiment med den ödmjuka tarmbakterien Escherichia coli sedan 1988. Eftersom dessa bakterier kan starta en ny generation ungefär 20 minuter under ideala laboratorieförhållanden har Lenskis team kunnat noggrant övervaka och bevara över 60 000 generationer av E. coli-förfäder.

Ingen mänsklig familj kan möjligen konkurrera med dessa bakteriers släktregister ... anatomiskt moderna människor har bara funnits i cirka 12 000 generationer. Jag tittade bara in i mina förfäder eftersom jag ville veta om jag härstammar från någon berömd (ingen sådan tur). Lenski-laboratoriet har ett helt annat mål. De förstår att varje generation inför förändring och att denna gradvisa förändring är grunden för hur allt liv utvecklas. Hur sker dessa förändringar? Hur snabbt uppstår de? Lenski-laboratoriet använder denna lilla tarmmikrobe för att svara på dessa stora frågor.

Richard Lenski med ett bricka med kolvar från det långsiktiga evolutionsexperimentet i sitt labb vid Michigan State University den 26 maj 2016. (Fotokredit: Zachary Blount)

Forskare i laboratoriet sprider och övervakar kontinuerligt bakteriekulturer. Varje par månader (eller ungefär 500 generationer) bevaras en del av bakteriecellerna i frysar tillsammans med alla sina förfäder som en del av en ”frusen fossilrekord”. Men det är levande fossiler - vilken som helst av dessa kulturer kan återupplivas för experiment och DNA-sekvensering.

Under sitt experiment har Lenski-teamet sett att några spännande förändringar uppstår. I ett extremt exempel såg de utvecklingen av en helt ny egenskap: förmågan att smälta en ny typ av mat.

Experimentet startade med 12 något olika populationer, eller stammar, av E. coli, som alla ursprungligen uppstod från en enda cell och alla använde glukos närvarande i buljong som enda kolkälla för energi. Forskarna odlade dessa stammar i buljong som bara innehöll lite glukos, men (av tekniska skäl) råkade ha mycket citrat. Citrat liknar glukos, men ingen av E. coli-stammarna kunde metabolisera citrat på samma sätt som de gjorde glukos. I miljön med låg glukos svält dessa mikrober.

Cirka 31 000 generationer senare förlitade sig 11 av 12 stammar fortfarande enbart på glukos för energi att reproducera, men en stam utvecklade förmågan att äta citrat också. Följaktligen kunde dessa citratanvändande bakterier växa mycket bättre i det glukosfattiga / citratrika mediet än deras 11 syskonstammar. Ta da! Evolution skedde precis där på bänken, och helt enkelt öppna en frysdörr kunde avslöja exakt när och hur dessa förändringar skedde. Med hjälp av sin praktiska frysta fossilrekord återupplivade forskare förfäder i avstamningen som gav upphov till citratätande bakterier och visade stegen som behövde hända för att denna nya egenskap skulle kunna uppstå.

Människor har upplevt evolutionära förändringar i vad vi kan och inte kan smälta också. Laktaspersistens, en vuxen människas förmåga att smälta mjölksockerlaktosen i till exempel en gallon glass om hon så önskar, utvecklades ganska nyligen. De flesta däggdjur kan bara smälta laktos som ammande spädbarn, men vissa befolkningsgrupper behåller denna förmåga under hela sitt liv. Vi kan inte återuppliva och sekvensera hundratals generationer av människor, så det är svårare att spika upp det specifika, men laktasuthållighet uppskattas först ha uppstått för cirka 7500 år sedan (~ 300 mänskliga generationer), kort efter att människor har kommit fram till hur man tämjar nötkreatur (gå figur).

Så var kommer dessa nya drag ifrån? Lenskis E. coli-forskning stöder idén att nya drag uppstår från precis de rätta kombinationerna av slumpmässiga genetiska förändringar som, även om de är extremt sällsynta, händer med tillräckligt med tid. Vissa DNA-mutationer orsakar inte någon uppenbar förändring av en organism alls. Andra mutationer är oerhört skadliga, som mutationerna i den mänskliga BRCA1-genen som gör vissa människor mottagliga för bröstcancer. Men en gång på väldigt lång tid inträffar gynnsamma genetiska förändringar som gör en organism montare, gladare, mer produktiv ... varje ny generation har en chans att utforska nya förbättringar.

De DNA-mutationer som är ansvariga för nya egenskaper inträffar slumpmässigt, även om det inte finns något selektionstryck. Till exempel innehåller tarmen antibiotikaresistenta bakterier. Antibiotikaresistensen är en egenskap som ges genom gener som upplever slumpmässiga mutationer hela tiden. Om du är frisk och inte tar några antibiotika har de resistenta bakterierna ingen fördel jämfört med någon annan stam. De kvarstår, men i lågt antal relativt alla andra bakterier som finns. När du börjar antibiotikabehandling har dessa mutanter fördelen. Om alla andra avlivas kan de trivas, "svepa" genom befolkningen och ersätta andra stammar.

Att identifiera andra drivkrafter och konsekvenser av mikrobiell evolution är ett aktivt forskningsområde som korsar medicin och evolutionär biologi. Mikrober har djupa effekter på värdens hälsa, men de har inte samma gränser som deras värdar. De reproducerar mycket snabbare, finns i mycket större antal och till och med byter gener runt på sätt som människor inte kan. De, som Richard Lenskis verk visar oss, hjälper oss också att svepa våra primära hjärnor runt den till synes omöjliga uppgiften att förstå hur evolution faktiskt fungerar.

Darwin själv, med sin måttband och fågelnäbbssamling, kunde egentligen bara visa att evolutionen händer. Att förstå hur det händer och vad det kan ge för oss nästa är denna generationens uppgift - med hjälp av vissa mikrober. Det kan vara svårt för någon person att uppskatta att evolution är en pågående process, men kom ihåg att ett år i ditt liv är många generationer värda av möjligheter för ditt mikrobiom, och du, att utvecklas.

I Contain Multitudes är en flerdelad videoserie avsedd för att utforska den underbara, dolda världen av mikrobiomet.