Wetenschap

Evolutie zie je nooit in actie, behálve in de erlenmeyers van Richard Lensky

Beeld Hollandse Hoogte

Door twaalf flesjes met bacteriën te vullen en die dertig jaar te bestuderen, zag bioloog Richard Lenski ze onder zijn ogen door de evolutie gevormd worden.

Zou de hedendaagse mens heelhuids uit een duel komen met zijn voorouder Homo erectus, mocht die ooit zijn ingevroren en opnieuw tot leven gewekt? Zou een gemiddelde kantoorklerk nog een klap op zijn gezicht kunnen planten, of direct vermorzeld worden? Het is een geinig gedachte-experiment, maar zal die status nooit ontstijgen. Onze voorouders zíjn immers niet ingevroren.

Maar in noordelijk Amerika, in zijn lab op Michigan State University, komt evolutionair bioloog Richard Lenski toch nog een beetje in de buurt. Niet met de mens, maar met één van zijn darmbewoners: E. coli. Ooit besloot de nu 61-jarige wetenschapper cellen van dezelfde stam van deze bacterie te verdelen over twaalf erlenmeyers. Hun dieet: suikerwater. Elk uur deelden de bacteriën zich, en elk uur ontstond op die manier een nieuwe generatie nakomelingen.

De evolutie in actie

Evolutie zie je nooit in actie, behálve in Lenski's erlenmeyers. Die eerste bacteriën zijn komende februari al weer dertig jaar geleden in hun onderkomen geplaatst, en het experiment duurt nog altijd voort. Meer dan 67.000 generaties heeft Lenski sinds 1988 voor zijn ogen voorbij zien komen. Ter vergelijking: de mens heeft grofweg zo'n 10.000 generaties achter zich liggen.

Elke 500 generaties neemt een lab-medewerker een deel van de bacteriebevolking apart en vriest haar in. Een diepvries vol met voorouders dus, die desgewenst ontdooid kunnen worden en dan rustig verder leven. Bijvoorbeeld voor een krachtmeting tussen nakomeling en voorouder, uitgevochten in een erlenmeyer. Inmiddels liggen afgezanten van Lenski's experiment over laboratoria in de hele wereld verspreid; onder meer op Harvard en op universiteiten in Texas, Frankrijk en Nederland. Ook de studenten en post-docs die zich over Lenski's micro-universum mochten buigen, zijn uitgevlogen. In Nederland zitten er meerderen, waaronder hoogleraar Arjan de Visser van de Wageningen Universiteit. Begin september was Richard Lenski, die er in 2013 een ere-doctoraat mocht ontvangen, weer even in Wageningen voor een seminar, waarna hij tijd kon vrijmaken voor een gesprek met de krant.

Lenski is even vriendelijk als bescheiden, en heeft in het begin zelfs de neiging bij elke vraag verontschuldigend naar het tafelblad te lachen. Toch is zijn werk onder collega's bekend en ook uitvoerig besproken in populairwetenschappelijke boeken van Richard Dawkins en New York Times-journalist Carl Zimmer.

"Eigenlijk voorzag ik niet goed waar ik aan begon", zegt hij. "Het doel was aanvankelijk een antwoord te vinden op de vraag: is evolutie compleet te voorspellen, of totaal niet? Krijg je min of meer hetzelfde resultaat als je de hele band des levens terugspoelt en opnieuw op play drukt?" Vandaar die twaalf flesjes. Die kunnen allemaal een andere, of juist min of meer dezelfde evolutionaire weg afleggen. Wie weet zijn sommige eigenschappen zo cruciaal voor het succes van de bacteriën dat ze in alle twaalf de bacterie-lijnen zullen ontstaan. Dat gaat met toevallige mutaties in genen die positief, neutraal of negatief kunnen uitpakken, maar misschien ligt de uitkomst min of meer vast, dacht Lenski in 1988.

Vooral vragen

"Natuurlijk wisten we toen ook al wel dat het antwoord in het midden zou liggen. Maar het blijkt op een veel gecompliceerdere manier in het midden te liggen dan we dachten: sommige ontwikkelingen zijn te voorspellen maar andere niet. Het hele project roept vooral veel vragen op." Zo begonnen bacteriën in zes van de twaalf flesjes het aantal mutaties op te schroeven tijdens hun celdelingen. In feite zetten ze hun eigen evolutie in een stroomversnelling, kun je denken. Dit was in de tijd dat Arjan de Visser nog bij Lenski werkte, en hij ontwierp een experiment om uit te zoeken of al die extra mutaties een bacteriestam nou eigenlijk helpen.

Het antwoord is ja, maar eigenlijk vooral in middelgrote bacteriepopulaties, zegt Lenski. "Arjan zag dat er in een grote populatie al snel meer dan genoeg mutaties plaatsvinden om de evolutie gestaag door te laten gaan, zelfs al is het aantal mutaties per deling laag. Daar heeft het dus geen effect." In een kleine groep bacteriën is een hoge mutatiesnelheid gevaarlijk: de meeste mutaties helpen de bacterie totaal niet verder of zijn zelfs nadelig. Een klein groepje speelt dus een beetje Russisch roulette door per deling veel mutaties te laten ontstaan. "Maar middelgrote groepen zitten hier tussenin. Zij plukken de vruchten van de vele veranderingen in het dna en passen zich dus mooi aan." Daar was al een soort algemene theorie voor bedacht in de biologie, maar niemand zag het voor zijn ogen gebeuren.

"Toen ik begon had ik nog nooit over die mutatiesnelheden nagedacht", zegt Lenski. "Er komen steeds heel slimme post-docs en onderzoekers in mijn lab met heel slimme ideeën voor onderzoek. In feite is dit éne langdurige experiment een soort micro-universum voor onderzoekers waar ze allerlei hypotheses kunnen formuleren. Een meta-experiment."

Verandering in het voedingspatroon

Niet alleen de mutatiesnelheid dingt mee in het evolutiesucces, er komt een hoop willekeur bij kijken. De eerste kleine evolutiestapjes die een organisme maakt, bepalen goeddeels wat er in de toekomst nog mogelijk is. Dit verklaart hoe er in 2003 - na 30.000 generaties - in één van de erlenmeyers iets magisch gebeurde, en in de andere elf niet.

In dat jaar begon het volkje in die erlenmeyer zich ineens te voeden met citroenzuur, naast het suikerwater ook aanwezig maar niet eetbaar voor E. coli. Ze hadden zich aangepast, de menukaart als het ware zélf uitgebreid. In het bewuste flesje begrepen ze ineens dat ze naast die suiker al die tijd hadden rondgezwommen in een 'fris toetje met citroensmaak', zoals Lenski het graag noemt. Veertien jaar later zijn de andere volkeren in naburige flesjes nog steeds niet zover, en misschien komt dat wel nooit. "De geschiedenis van evolutiestappen bepaalt wat er in de toekomst nog mogelijk is." Met andere woorden: je kunt helemaal de verkeerde kant op evolueren en nooit meer terug kunnen.

Dit punt - een heel nieuwe eigenschap ontwikkelen - is voor veel mensen moeilijk te bevatten, zegt Lenski. "Iedereen ziet voor zich hoe een oog zich bijvoorbeeld steeds verder ontwikkelde om scherper te kunnen zien. Maar hoe ontstond dat éérste oog dan, of wat daar ook maar voor doorging? Het 'ineens' kunnen eten van citroenzuur is iets vergelijkbaars. In onze experimenten met virussen zagen we ook nieuwigheden ontstaan die ogenschijnlijk uit het niets kwamen: plots konden ze bacteriën op een heel nieuwe manier binnendringen. Een soort zijdeur vinden om stiekem binnen te komen bij hun slachtoffer."

De voorwaarden voor geluk

Lenski ziet in zijn lab hoe zo'n omslag tot stand komt. "In de eerste plaats wordt de populatie steeds efficiënter in hetgeen ze al kunnen: suiker eten in het geval van bacteriën, of gastcellen binnendringen in het geval van onze virussen. Maar in alle twaalf erlenmeyers creëren ze daar andere technieken voor. Dan kan één extra mutatie op de juiste plek ineens leiden tot een heel nieuwe eigenschap. Puur geluk, ja, maar het komt dus niet uit de lucht vallen. Onbewust was het proces er naar toe al lang aan de gang."

De tekst loopt door na de afbeelding. 

Beeld Bram Petraeus

In dit overzichtelijke evolutie-in-actie-experiment zie je dat de voorouders het altijd afleggen tegen hun nakomelingen. Ontdooi een oude bacteriestam, zet die in hetzelfde petrischaaltje als de nieuwelingen, en ze verliezen onherroepelijk terrein, ze groeien lang zo snel niet. Het is verleidelijk te denken dat dat in de natuur ook zo gaat bij andere organismen. Maar zo simpel ligt het niet.

Lenski ontwierp zijn experiment om evolutie langs één dimensie te onderzoeken, zo simpel mogelijk dus. De bacteriën hadden weinig anders te doen dan zich te perfectioneren in het eten van suiker. (Dat ze hun lichaampjes in één erlenmeyer langzaam aanpasten om ook citroenzuur te eten, was dus onvoorzien.) Deze ene eigenschap voeren ze met het komen en gaan van generaties steeds efficiënter uit, en de betovergrootvader legt het dus standaard af tegen het achterkleinkind.

Hypothetisch kooigevecht

Terug naar dat hypothetische kooigevecht tussen een Homo erectus en een hedendaags persoon. In tegenstelling tot de bacterie in Lenski's flesjes evolueerden wij niet langs één dimensie. Denk je wel langs één lijn, waarbij bijvoorbeeld alleen 'kracht' van belang is, dan wordt de vloer waarschijnlijk aangeveegd met de moderne variant. Maar wij werkten ons natuurlijk niet naar een almaar krachtiger wezen. Er zijn meerdere dimensies in het spel; die hedendaagse mens weet hoe je een machinegeweer bouwt, om maar iets te noemen.

Lenski hoopt dat zijn project tot in het eind der tijden wordt voortgezet, en probeert daar geld voor vrij te krijgen. Er blijven na bijna dertig jaar namelijk nog altijd onverwachte dingen gebeuren in de erlenmeyers, ook na het toevoegen van citroenzuur op de menukaart in 2003. "We zien bijvoorbeeld dat er in sommige stammen twee 'volkeren' ontstaan. Je moet weten dat de bacteriën bij het eten van suiker een afvalstof uitscheiden, en ze kunnen die ook weer consumeren. Nu zien we in sommige flesjes een tweedeling ontstaan: een groepje dat zich helemaal toelegt op het zo efficiënt mogelijk eten van die suiker, en een andere groep die zich helemaal gooit op het zo handig mogelijk eten van de uitwerpselen van die eerste groep. Ze werken samen en hebben eigenlijk weer een nieuwe dimensie toegevoegd, terwijl ik alles juist zo simpel mogelijk wilde houden!"

Nu leven die groepen in harmonie, maar dit proces zou weleens kunnen leiden tot oorlog, tot een soort roof- en prooidierverhouding. "Wie weet gaat die groep die zich toelegt op de afvalstoffen van de anderen hen uiteindelijk wel omleggen. Je hoort ze haast denken: 'Hm, als wij leven van hun afval, zou het dan niet handig zijn om ze af te maken zodat ze nog sneller leeglopen?' Of dat ooit gebeurt en wanneer dan, weet ik niet. Maar ik ben erg benieuwd."

Hoe ontstaat resistentie?

Zijn eerste post-doc-positie bekleedde hij in de jaren negentig bij Lenski in diens lab in Michigan State University. Nu zet Arjan de Visser zijn werk voort in Wageningen, waar ook hij nu vriezers vol bacteriën heeft staan. De hoogleraar evolutionaire genetica wil weten welke routes de evolutie graag neemt om bacteriën resistent te maken tegen antibiotica.

Resistente bacteriën slopen antibiotica met enzymen. Die enzymen kunnen tegen één bepaald antibioticum werken, maar ook tegen meerdere tegelijk. De Visser neemt bacteriën met een enzym dat bestand is tegen penicilline en aanverwante medicijnen, en kijkt vervolgens hoe deze bacteriën hun arsenaal uitbouwen door ze bloot te stellen aan nieuwe, synthetische antibiotica waar ze aanvankelijk niet tegen kunnen. Zie je dan patronen in de volgorde van de nodige mutaties, en welke mutaties in genen er überhaupt nodig zijn, dan kun je de evolutie in het vervolg voor zijn, is de hoop.

De Visser is Lenski elk geval erg erkentelijk voor de samenwerking. "Hij heeft een bijna kinderlijk enthousiasme, is heel onbevangen en gedreven. Maar tegelijkertijd blijft hij wel vlijmscherp als je met hem praat. Dat maakt hem een fijne collega."

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden