All'interno dell'ambizioso esperimento di 30 anni del Dr. Richard Lenski

Cosa raccontano 60.000 generazioni di batteri sul nostro mondo

Arte: Natalya Zahn

Quanto lontano puoi rintracciare il tuo albero genealogico?

Il mio lignaggio si confonde con la mia quinta bisnonna: Rebecca Ellsworth di New York. La regina Elisabetta (apparentemente una detentore del record molto meglio di me) può risalire al suo lignaggio fino al suo trisavolo: il re Alfredo il Grande di Wessex. Ma anche i reali britannici hanno difficoltà a tenere il passo con i confuciani. I discendenti di questo filosofo cinese hanno seguito con attenzione oltre 80 generazioni di antenati.

La linea di Confucio vince il premio per la genealogia documentata più lunga nella razza umana, ma espandere la competizione a tutte le forme di vita li abbatte a un secondo, lontano e lontano secondo.

Il biologo evoluzionista Richard Lenski della Michigan State University ha condotto un esperimento usando l'umile batterio intestinale Escherichia coli dal 1988. Poiché questi batteri sono in grado di avviare una nuova generazione ogni 20 minuti circa in condizioni ideali di laboratorio, il team di Lenski è stato in grado di monitorare attentamente e preservare oltre 60.000 generazioni di antenati di E. coli.

Nessuna famiglia umana può competere con la storia genealogica di questi batteri ... anatomicamente gli esseri umani moderni sono esistiti solo per circa 12.000 generazioni. Ho solo guardato ai miei antenati perché volevo sapere se discendevo da qualcuno famoso (nessuna tale fortuna). Il laboratorio Lenski ha un obiettivo completamente diverso. Capiscono che ogni generazione introduce il cambiamento e che questo cambiamento graduale è la base di come evolve tutta la vita. Come avvengono questi cambiamenti? Quanto velocemente si verificano? Il laboratorio Lenski utilizza questo microbo intestinale per rispondere a queste grandi domande.

Richard Lenski con un vassoio di boccette dell'esperimento di evoluzione a lungo termine nel suo laboratorio presso la Michigan State University il 26 maggio 2016. (Photo credit: Zachary Blount)

I ricercatori in laboratorio si propagano e monitorano continuamente colture batteriche. Ogni paio di mesi (o circa 500 generazioni), una parte delle cellule batteriche viene conservata in congelatori insieme a tutti i loro antenati come parte di un "reperto fossile congelato". Ma questi sono fossili viventi: ognuna di queste culture può essere rianimata per la sperimentazione e il sequenziamento del DNA.

Nel corso del loro esperimento, il team di Lenski ha visto sorgere alcuni cambiamenti entusiasmanti. In un esempio estremo, hanno osservato l'evoluzione di un tratto nuovo di zecca: la capacità di digerire un nuovo tipo di cibo.

L'esperimento è iniziato con 12 popolazioni o ceppi leggermente diversi di E. coli, che inizialmente sono nati da una singola cellula e tutti hanno utilizzato il glucosio presente nel brodo come unica fonte di carbonio per produrre energia. Gli scienziati hanno coltivato questi ceppi in brodo che contenevano solo un po 'di glucosio, ma (per motivi tecnici) avevano molto citrato. Il citrato è simile al glucosio, ma nessuno dei ceppi di E. coli potrebbe metabolizzare il citrato nello stesso modo in cui ha fatto il glucosio. Nell'ambiente a basso contenuto di glucosio, questi microbi stavano morendo di fame.

Circa 31.000 generazioni dopo, 11 dei 12 ceppi si affidavano ancora esclusivamente al glucosio per la riproduzione dell'energia, ma un ceppo sviluppò anche la capacità di mangiare citrato. Di conseguenza, questi batteri che usano il citrato sono stati in grado di crescere molto meglio nei media poveri di glucosio / ricchi di citrato rispetto ai loro 11 ceppi di pari livello. Ta da! L'evoluzione è avvenuta proprio lì sul banco e la semplice apertura di una porta del congelatore poteva rivelare esattamente quando e come avvenivano questi cambiamenti. Usando i loro pratici reperti fossili congelati, i ricercatori hanno riportato in auge gli antenati del lignaggio che ha dato origine a batteri che consumano citrato e hanno mostrato i passaggi necessari per realizzare questo nuovo tratto.

Gli umani hanno sperimentato cambiamenti evolutivi in ​​ciò che possiamo e non possiamo digerire. La persistenza della lattasi, la capacità di un essere umano adulto di digerire il lattosio di zucchero nel latte, diciamo, in un gallone di gelato, se lo desidera, si è evoluta abbastanza di recente. La maggior parte dei mammiferi può digerire il lattosio solo durante l'allattamento, ma alcune popolazioni di esseri umani mantengono questa capacità per tutta la vita. Non possiamo rianimare e sequenziare centinaia di generazioni di umani, quindi è più difficile definire i dettagli, ma si stima che la persistenza della lattasi sia sorta per la prima volta circa 7500 anni fa (~ 300 generazioni umane), poco dopo che gli umani hanno capito come addomesticare bestiame (vai a figura).

Quindi, da dove provengono questi nuovi tratti? La ricerca di E. coli di Lenski sostiene l'idea che i nuovi tratti nascono dalle giuste combinazioni di cambiamenti genetici casuali che, sebbene estremamente rari, si verificano con abbastanza tempo. Alcune mutazioni del DNA non causano alcun evidente cambiamento a un organismo. Altre mutazioni sono incredibilmente dannose, come le mutazioni nel gene umano BRCA1 che rendono alcune persone sensibili al cancro al seno. Ma una volta ogni tanto, si verificano cambiamenti genetici benefici che rendono un organismo più in forma, più felice, più produttivo ... ogni nuova generazione ha la possibilità di esplorare nuovi miglioramenti.

Le mutazioni del DNA responsabili di nuovi tratti si verificano casualmente, anche quando non c'è pressione di selezione. Ad esempio, l'intestino contiene batteri resistenti agli antibiotici. La resistenza agli antibiotici è un tratto conferito dai geni, che subiscono mutazioni casuali in ogni momento. Se sei sano e non stai assumendo antibiotici, quei batteri resistenti non hanno alcun vantaggio rispetto a qualsiasi altro ceppo. Rimangono, ma in numero basso rispetto a tutti gli altri batteri presenti. Una volta iniziato il trattamento antibiotico, questi mutanti hanno il vantaggio. Se tutti gli altri vengono uccisi, possono prosperare, "spazzare" la popolazione e sostituire altri ceppi.

L'identificazione di altri driver e conseguenze dell'evoluzione microbica è un'area attiva di ricerca che interseca la medicina e la biologia evolutiva. I microbi hanno effetti profondi sulla salute del loro ospite, ma non hanno gli stessi limiti dei loro ospiti. Si riproducono molto più velocemente, esistono in numero enormemente maggiore e persino scambiano i geni in un modo che gli umani non possono. Inoltre, come ci mostra il lavoro di Richard Lenski, ci aiutano a avvolgere i nostri cervelli dei primati attorno all'apparentemente impossibile compito di comprendere come funziona effettivamente l'evoluzione.

Lo stesso Darwin, con il suo metro a nastro e la sua collezione di becchi di uccelli, poteva davvero solo dimostrare che l'evoluzione avviene. Capire come accadrà e cosa potrebbe portarci dopo, è il compito di questa generazione - con l'aiuto di alcuni microbi. Può essere difficile per una persona capire che l'evoluzione è un processo in corso, ma ricorda che un anno della tua vita è un valore per molte generazioni di opportunità per il tuo microbioma e per te di evolversi.

I Contain Multitudes è una serie di video in più parti dedicata all'esplorazione del meraviglioso mondo nascosto del microbioma.