E. Coli bietet Einblick in Entwicklung

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Evolutionsbiologen Richard Lenski denkt gelegentlich an seine ursprünglichen 12 Flaschen von E. Coli als Experiment, das hält.

Er und seine Kollegen haben diese Proben und deren Nachkommen gepflegt – 52.000 Generationen und zählen – seit mehr als 23 Jahren, jeden Tag, mit keine Freistellung für Feiertage oder Wochenenden.

Im Hinblick auf die Generationen ist es das am längsten laufende Evolution Experiment in der Geschichte, zahllose wichtige Einblicke in wie Bakterien mutieren und im Laufe der Zeit anpassen.

"Es hat ein Leben von seinen selbst hatte", sagte Lenski der Studie, die im Februar 1988 begann. "Es ist erstaunlich, wie kompliziert diese vermeintlich einfache System herausgestellt hat – es gibt uns immer Überraschungen."

Die 12 Populationen Leben im Inkubator in Lenski Labor an der Michigan State University, jedes Dutzend Flaschen produzieren etwa sieben neue Generationen alle 24 Stunden. Jeden Tag die Wissenschaftler ein Prozent der einzelnen Bevölkerung zu nehmen und in eine Flasche frischen Glukose, ein Wachstumsmedium übertragen. Sie nehmen Proben jeden 500 Generationen, und frieren sie für das spätere Studium.

"Das schöne ist, dass Sie sie wieder zum Leben erwecken können, indem sie auftauen," sagte Lenski. "Da wir diese Zeit eingefroren-Serie hast, können wir viele verschiedene Dinge tun. Wir können direkt vergleichen und sogar Bakterien aus unterschiedlichen Generationen konkurrieren. Wir können direkt ihre Verbesserungen in Fitness messen. Wir können Organismen zu vergleichen, die zu unterschiedlichen Zeiten gelebt. "Es ist wirklich wie Zeitreise."

Das Experiment wurde entwickelt, um die Wiederholbarkeit der Evolution Fragen. "Betrachtet man die Spannung zwischen der Zufälligkeit der Mutation und die Vorhersehbarkeit der natürlichen Selektion, wie spielt Evolution wenn man die beiden zusammen?" Lenski, sagte. "Das ist wirklich das, was alle diese Langzeit-Experiment über gewesen ist. Im Laufe dieser Jahrzehnte wir allerlei interessante Phänomene gesehen."

Sie sind in der Lage zu sehen, die Mutationsrate selbst entwickeln, ebenso wie dramatische Verbesserungen in der Bakterien Konkurrenz-Fähigkeit zu beobachten gewesen.

Kürzlich fand zum Beispiel in Arbeit berichtete in einer Ausgabe der Wissenschaft früher in diesem Jahr, die Forscher, dass eine Zeile von E. Coli zwei dominante Genotypen nach 500 Generationen, einer von ihnen produziert hatte deutlich robuster als die anderen, wächst mit einer Rate von etwa sechs Prozent schneller. Nach 1.000 Generationen blieb jedoch nur ein Typ.

Zur Überraschung der Forscher, es war nicht die Sorte, die früher die stärkere der beiden gewesen war — stattdessen zunächst schwächer derjenige hatte sich durchgesetzt. Was war geschehen, während die dazwischen liegenden Generationen? Wie gelang es der Sorte "weniger Fit" zu gewinnen?

Die Forscher die Theorie, dass eines von zwei Dingen geschehen war. Entweder es war reines Glück für die preisgekrönte Sorte, "wie eine unerfahrene Pokerspieler eine gewinnende Hand ausgeteilt bekommen," sagte Lenski, oder die Belastung war anpassungsfähiger und vorteilhafte Mutationen, die es letztlich zu einer langfristigen Verbesserung gelenkt hatte.

Die Natur dieses Experiments gab den Forschern die Möglichkeit, in der Zeit zurückgehen und den evolutionären Prozess zu rekonstruieren. Die Wissenschaftler einige von den späteren Sieger aus der 500. Generation aufgetaut und begann 20 neue Linien. Sie tat das gleiche mit der späteren Verlierer. Wir durften alle aufgetauten Bakterien zu reproduzieren, wieder zu sehen, wer gewinnen würde 883 Generationen – das Ergebnis war in der Regel die gleiche. Die Schildkröte, weniger Fit auf kurze Sicht schlagen noch der Hase.

"Wir hatten die Genome sequenziert, wussten wir welche Mutationen schließlich gewonnen, deshalb wollten wir die Linien Geschichten wiederholen", sagte Lenski. "Es stellt sich heraus, dass unsere zweite Hypothese als richtig erwiesen. Die Belastung, die schließlich gewann, obwohl es im Moment weniger Fit war, hatte mehr Zukunftspotenzial, mehr Entwicklungsfähigkeit."

Im Jahr 2008 berichteten sie über eine weitere wichtige Anpassung. Eines ihrer 12 Bevölkerung hatte die Fähigkeit, eine neue Kohlenstoffquelle, Citrat, zur Energiegewinnung nutzen entwickelt – ein Talent, das seine Vorfahren nicht haben.

Es dauerte mehr als 30.000 Generationen für eine Bevölkerung in der Lage, Citrat, bemerkenswert zu verwenden, da "die gesamte Spezies von E. Coli definiert wurde nicht als die Kohlenstoffquelle nutzen" sein, sagte Lenski. (Citrat langen wurde ein standard Bestandteil in das Wachstumsmedium "Rezept" im Labor Lenski, obwohl die Organismen es vorher noch nie benutzt.)

"War es eine seltene Mutation, die zu einem der 12 Bevölkerung und an jedem beliebigen Punkt in der Zeit passiert haben könnte? Oder war es eine Ansammlung von Ereignis nach Ereignis, das diese Population kommt man auf eine andere Flugbahn von den anderen 11 verursacht?" Lenski fordert. "Einer meiner Doktoranden, Zachary Blount, schaute auf 10 Billionen Vorfahren Zellen aus der ursprünglichen Vorfahr von allen 12 Bevölkerungsgruppen zu sehen, ob sie diese Möglichkeit, Citrat verwenden entwickeln könnte. Keiner von ihnen tat. Er zeigte, dass von den Vorfahren, Sie konnte nicht dorthin, Sie konnte keine Verwendung von Citrat Art durch eine einzige Mutation machen.

Jedoch fügt hinzu, "Es wurde in den späteren Generationen möglich, wie der genetische Hintergrund in eine Möglichkeit, diese Bevölkerung, diese Mutation zu produzieren gewechselt hatte" Lenski. "Die Wahrscheinlichkeit, diesen Übergang änderte sich im Zusammenhang mit dieser Bevölkerung Geschichte machen zu können.

DddAnother Doktorand im Labor, Brian Wade, hat damit begonnen, eine Spin-off-Experiment um festzustellen, ob die Bakterien in einer Weise, das macht sie resistent entwickeln können gegen Austrocknung. Dies könnte wichtige Implikationen für den Umgang mit Essen, da die meisten E. Coli heute "ziemlich schnell sitzen Sie auf einem trockenen Theke sterben würde", sagte Lenski. "Er war in der Lage zu zeigen, dass innerhalb von ein paar Monaten, er für E. Coli , die sind viel besser auf diesen Stress zu überleben, als ihre Vorfahren waren auswählen kann."

Im Laufe der Jahre die nummerierten Flaschen in der ursprünglichen Langzeit-Experiment entwickelten ihre eigene "Persönlichkeit", Lenski, sagte, mit einigen mit Mutation höher als andere, die sie veranlassen, sich anders entwickeln. "Die Citrat-Bevölkerung ist wesentlich dichter, denn sie nicht nur Glukose bekommen, aber sie auch einen Nachschlag immer sind."

Vor etwa zehn Jahren Lenski als das Experiment zu beenden, aber wurde er von seinen Kollegen ausgeredet. "Als ich anfing, zu einigen Computer-basierte Forschung beteiligen, ich ein wenig müde von den Bakterien war," sagte er. "Die nicht enden wollenden Experiment war fast wie ein Joch um meinen Hals. Aber meine Kollegen sagten: "kann nicht beendet werden." Es war zu viel von einer Institution geworden. So, jetzt meine Hoffnung, dass ist wenn ich in Rente gehen – in 10, 15 oder 20 Jahren – ich konnte arbeiten mit einem ehemaligen Schüler oder wissenschaftliche Mitarbeiterin des Experiments weitergeben.''

Das Experiment hat gelegentliche Stromausfall, Inkubator Fehlfunktion und klopfte über zerbrochene Flasche ausgehalten.

"Wir machen Fehler, aber das ist die Schönheit der Bakterien, gefroren haben", sagte Lenski. "Wenn wir Unfälle haben, gehen wir zurück auf das letzte Mal, das wir ihnen erstarrte. Die Freezers haben Sicherungen zu. Wir haben nie einen Gefrierschrank verloren. Wir hatten wenig erschreckt, aber Dinge haben immer geklappt."

Für weitere Informationen über Lenskis Arbeit, im folgenden Video und lesen Sie Lenski Aufsatz, "Evolution: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft."

Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt von der National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.