Evolutie lijkt een onvoorspelbaar proces. Maar het voorspellen van de grenzen
van evolutie blijkt wel mogelijk. Dit tonen onderzoekers van AMOLF en het
Franse ESPCI aan door middel van hun wiskundige methode gevolgd door
experimenten met bacteriën. Op 24 juni publiceren ze hun resultaten in het
vaktijdschrift Cell Systems.
Cellen maken gebruik van nauwe samenwerking tussen eiwitten. Dit soort
regulatienetwerken stelt cellen in staat om hun omgeving te interpreteren, en
zo het juiste gen ‘aan’ te zetten; bijvoorbeeld om het enzym tot expressie te
brengen dat antibiotica kan afbreken. Voor bacteriële cellen is dit essentieel
om te kunnen overleven, en hun regulatienetwerken staan daarom continue onder
evolutionaire selectie. Maar hoe zij uiteindelijk evolueren is moeilijk te
voorspellen.
De onderzoekers kozen voor de volgende aanpak. Ze maakten eerst een nieuw
genetisch netwerk in de bacterie E. coli dat twee omgevingsmoleculen (A en B)
in staat stelt om de expressie van een fluorescent eiwit te beïnvloeden. In
plaats van de evolutie van dit netwerk te voorspellen door naar willekeurige
mutaties te kijken, richtten de onderzoekers zich op alle mogelijke toekomstige
functies van het netwerk, en de grenzen hiervan. Een van de vragen die ze zo
konden stellen was: ‘Kunnen we voorspellen of evolutie ervoor kan zorgen dat de
cellen alleen fluorescent worden als molecuul A aanwezig is, en molecuul B
niet’?
De onderzoekers ontwikkelden hiervoor een nieuwe wiskundige methode. Met een
grafische aanpak bleek het eenvoudig om de evolutiegrenzen van het genetische
netwerk te bepalen. Deze analyse gaf aan dat het hierboven beschreven
evolutionaire doel niet eenvoudig haalbaar is. Alleen met een verregaande
evolutionaire aanpassing, bijvoorbeeld in de detectie van molecuul A zelf, zou
dit kunnen.
Om deze wiskundige voorspelling te testen, lieten de onderzoekers de bacteriën
op een gecontroleerde manier evolueren. Ze lieten eerst een grote populatie van
bacteriën willekeurig muteren, en groeiden ze daarna samen in een erlenmeyer
zonder A en B, en daarna met A maar zonder B, etc. Ze richtten daarbij de
experimenten zo in, dat er een competitie tussen verschillende mutanten
ontstond, waarin de mutant die zijn taak het best uitvoert zich het meest
vermenigvuldigt. De resultaten lieten precies zien wat voorspeld was: in het
begin van de evolutie kwamen de bacteriën dichtbij de goede oplossing, maar
niet helemaal. Ze reageerden ofwel goed op A, ofwel goed op B, in plaats van
goed te reageren op beide signalen. Er ontstond een soort conflict tussen twee
evolutionaire doelen. Na langere evolutie bleek het wel mogelijk het conflict
op te lossen – en een genetische analyse liet toen inderdaad een verregaande
innovatie van een van de eiwitten zien.
Het kunnen voorspellen is een heilige graal binnen de evolutie. Voorspellen is
in sommige disciplines zoals engineering of natuurkunde heel normaal, maar
binnen de biologie en zelfs evolutie is dit veel lastiger. Er zijn nu weer veel
discussies over de mogelijkheden of onmogelijkheden van voorspellen, en wat
hier nodig voor zou zijn. Praktische concepten en experimenten zoals deze geven
hierin een begin van een antwoord.
--
Noot voor de redactie
Referentie
Manjunatha Kogenaru, Philippe Nghe, Frank J. Poelwijk, Sander J. Tans,
Predicting Evolutionary constraints by identifying conflicting demands in
regulatory networks, Cell Systems 10, 1-9, June 24 (2020).
doi: https://doi.org/10.1016/j.cels.2020.05.004
Contactpersoon
Sander Tans
e-mail: s.tans@xxxxxxxx <mailto:s.tans@xxxxxxxx>
Attachment:
schematische afbeelding incl bijschrift.pdf
Description: Adobe PDF document
