Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 19 – vyšlo 8. května, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

19/2009

Dvadsať rokov trvajúca evolúcia

Vladimír Scholtz

Pred časom som v Aldebaran Bulletine (AB 2008/9) písal o digitálnej evolúcii. Dnes by som sa rád zastavil pri zaujímavom experimente evolúcie biologických mikroorganizmov a pokúsil sa trochu demonštrovať výhody a nevýhody biologickej a digitálnej evolúcie z pohľadu experimentátora, ktorý sa snaží z prírody vydolovať nejaké informácie.

Escherichia coli – gramnegativní baktérie tyčinkovitého tvaru, běžně osidlující tlusté střevo teplokrevných živočichů, včetně člověka. Je fakultativně anaerobní, což znamená, že v případě potřeby dokáže převést svůj metabolismus přizpůsobený na přítomnost kyslíku na fermentaci za nepřítomnosti kyslíku. Je významná z hygienického hlediska jako jeden z indikátorů fekálního znečištění pitné vody. Její přítomnost ve střevě je pro organismus obvykle prospěšná, může však nést genetickou výbavu, která z ní činí původce závažných střevních onemocnění. Vzhledem ke svým nenáročným růstovým vlastnostem a dobře prozkoumané DNA definovaných kmenů je oblíbeným modelovým organismem či nosičem cizorodých genů. Bakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. Klon – v biologii původně populace geneticky identických jedinců, později byl tento termín používán i pro jedince uměle vytvořené genetické kopie, v informatice kopie dat či částí kódu reprezentující vlastnosti a chování.

Fotografia baktérie Escherichia coli z elektrónového mikroskopu.
Zdroj: Dennis Kunkel Microscopy, Inc., 2001.

V spomínanom experimente biológa Richarda Lenského z Michigan State University bola hlavnou hrdinkou baktériaBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. Escherichia coli. Ide o veľmi bežnú a nenáročnú, takmer „univerzálnu“, baktériu, veľmi často používanú v práci mikrobiológov. Myšlienka experimentu bola veľmi jednoduchá. Na začiatku si vzal Lenski jednu baktériu, z ktorej vytvoril množstvo klonovKlon – v biologii původně populace geneticky identických jedinců, později byl tento termín používán i pro jedince uměle vytvořené genetické kopie, v informatice kopie dat či částí kódu reprezentující vlastnosti a chování., z týchto klonov vybral 12 vzoriek a každú z nich vložil do samostatnej banky. Každý deň ráno svoje baktérie kŕmil trochou glukózyGlukóza – hroznový cukr, krevní cukr, monosacharid se šesti uhlíky. V čisté formě je to bílá, krystalická látka sladké chuti. V přírodě se vyskytuje jen v optické formě D, pak se nazývá dextróza. Pro červené krvinky a mozek je to jediný zdroj energie., ktorú však do popoludnia strávili a až do ďalšieho rána trpeli hladom. Na druhý deň ráno vybral z každej banky malú vzorku, vložil ju do novej banky, opäť ich nakŕmil dávkou glukózy a tento postup opakoval každý deň v priebehu 20 rokov a pokračuje v ňom dodnes.

Vzhľadom k tomu, čo je o evolúcii známe, Lenski predpokladal, že bude v bankách prebiehať súťaž o zdroje, v tomto prípade o glukózuGlukóza – hroznový cukr, krevní cukr, monosacharid se šesti uhlíky. V čisté formě je to bílá, krystalická látka sladké chuti. V přírodě se vyskytuje jen v optické formě D, pak se nazývá dextróza. Pro červené krvinky a mozek je to jediný zdroj energie. a teda dôjde k prirodzenému výberu. V každej generácii môže dôjsť u každej z baktériíBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. k náhodnej mutácií, tá pre ňu môže byť škodlivá a baktériu zabiť alebo spomaliť jej rast, alebo naopak priaznivá a jej rast urýchliť. Baktérie so zvýhodňujúcou mutáciou by tak mali postupne v populácii dominovať, a to z dôvodu, že sú schopné rýchlejšie narásť a rozmnožiť sa – ostatné baktérie proste prevalcujú svojim počtom.

Lenského snahou bolo zistiť, či sa niečo podobné bude diať aj v tomto systéme. Aby bol schopný v budúcnosti podľa potreby sledovať vývoj svojich baktériíBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně., vytváral si niečo ako fosílne záznamy. Každých 500 generácií zamrazil vzorku aktuálnych baktérií tak, aby tieto vzorky mohol kedykoľvek rozmraziť a hybernované baktérie tak znovu oživiť a skúmať ich vlastnosti.

12 populácií Lenského baktérií, v každej banke je jedna populácia.
Zdroj: Brian Baer, Neerja Hajela, 25. 6. 2008.

Základná vec, ktorej sa začali baktérieBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně., pravidelne trápené hladom, prispôsobovať, bola rýchlosť prijímania glukózyGlukóza – hroznový cukr, krevní cukr, monosacharid se šesti uhlíky. V čisté formě je to bílá, krystalická látka sladké chuti. V přírodě se vyskytuje jen v optické formě D, pak se nazývá dextróza. Pro červené krvinky a mozek je to jediný zdroj energie.. Keďže sa nedostatok tohto tovaru pravidelne opakoval, získali výhodu tie baktérie, ktoré si z neho dokázal ukrojiť najväčší podiel. Výsledkom bolo zrýchlenie vstrebávanie glukózy z okolia a súčasné baktérie sú schopné prijať z prostredia glukózu za 75 % času ako pôvodný klonKlon – v biologii původně populace geneticky identických jedinců, později byl tento termín používán i pro jedince uměle vytvořené genetické kopie, v informatice kopie dat či částí kódu reprezentující vlastnosti a chování.. Toto zistenie potvrdzuje schopnosť organizmov prispôsobovať sa svojmu okoliu a dalo sa viac menej predpokladať, omnoho zaujímavejšia je však nasledujúca skutočnosť.

Skúmané baktérieBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. boli kŕmené nielen glukózouGlukóza – hroznový cukr, krevní cukr, monosacharid se šesti uhlíky. V čisté formě je to bílá, krystalická látka sladké chuti. V přírodě se vyskytuje jen v optické formě D, pak se nazývá dextróza. Pro červené krvinky a mozek je to jediný zdroj energie., ale čiastočne aj citranmiCitrát – v úzkém slova smyslu sůl kyseliny citrónové, neboli kyseliny 2-hydroxypropan-1,2,3-trikarboxylové. V biochemii se pojmem citrát myslí též anion kyseliny citronové, disociované ve vodě. Sama kyselina citrónová je bílá, krystalická látka kyselé chuti, používaná v potravinářství pod označením E330., čo sú soli kyseliny citrónovej. Citrany však baktérie E. Coli nie sú schopné stráviť, čo je jeden z ich základných vymedzujúcich znakov. Problém je v tom, že nie sú schopné ho prepraviť cez svoju bunečnú membránu dovnútra bunky. (Z tohto pravidla existujú výnimky a to klonyKlon – v biologii původně populace geneticky identických jedinců, později byl tento termín používán i pro jedince uměle vytvořené genetické kopie, v informatice kopie dat či částí kódu reprezentující vlastnosti a chování. E. Coli, ktoré majú túto schopnosť kódovanú v DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. obsiahnutej v plazmidochPlazmid – mimochromozómová DNA. Malá kruhová molekula DNA, která kóduje specifické informace a je schopna samostatného množení, autoreplikace. Vyskytuje se u archeí, některých baktérií a vzácně i eukaryot. Plazmidy hrají významnou roli v odolnosti baktérií vůči antibiotikům. Genetická informace uložená na plazmidech může být vyměňována mezi dvěma baktériemi konjugací, což je obdoba pohlavního rozmnožování., Lenského baktérie však neobsahovali žiadne plazmidy.) Prekvapením bolo, keď po 33 127 generáciách si Lenski a jeho študenti všimli v jednej z kultúr zvláštneho zákalu, ktorý obyčajne znamenal kontamináciu vzorky cudzími baktériami. V tomto prípade však kontamináciu vylúčili a ako príčinu určili pôvodné baktérie E. Coli pochutnávajúce si na citrane. Keď tieto baktérie premiestnili do prostredia obsahujúceho iba citrany, bunky ich začali využívať ako svoj jediný zdroj uhlíku.

Vzápätí sa začali zaoberať otázkou, kedy sa baktérieBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. naučili tieto citranyCitrát – v úzkém slova smyslu sůl kyseliny citrónové, neboli kyseliny 2-hydroxypropan-1,2,3-trikarboxylové. V biochemii se pojmem citrát myslí též anion kyseliny citronové, disociované ve vodě. Sama kyselina citrónová je bílá, krystalická látka kyselé chuti, používaná v potravinářství pod označením E330. spracovávať. Začali postupne rozmrazovať uložené fosílie a zistili, že prvý krát sa títo konzumenti citranov objavili v 31 500. generácii a to v 0,5% koncentrácii. Po nasledujúcich 1 000 generácií ich zastúpenie postupne rástlo až na 19 % až v 33 000. generácii takmer vymizli. Avšak už za ďalších približne 120 generácií začalo zastúpenie v populácii opäť rásť, až sa stali dominantnými a v populácii prevládli. Tento nárast, pokles a opätovný nárast naznačuje, že sa pravdepodobne jednalo o niekoľko postupných mutácií. Prvá dovolila baktériám tráviť citrát, avšak nebola dostatočne úspešná v konkurencii s pôvodnými konzumentmi glukózyGlukóza – hroznový cukr, krevní cukr, monosacharid se šesti uhlíky. V čisté formě je to bílá, krystalická látka sladké chuti. V přírodě se vyskytuje jen v optické formě D, pak se nazývá dextróza. Pro červené krvinky a mozek je to jediný zdroj energie., to takmer spôsobilo ich vyhynutie. Až následná ďalšia mutácia naučila baktérie tráviť citrát dostatočne účinne na to, aby boli schopné uspieť v konkurencii ostatných baktérií. Pre lepšie pochopenie a overenie vzniku konzumentov citranov sa Lenski so svojimi študentmi pokúsili znovu prehrať evolúciu. Zobrali baktérie z vývojovej etapy pred vznikom konzumentov citranov a nechali ich vyvíjať sa v podobných podmienkach a z každého náznaku konzumácie citranov preniesli malú vzorku na Petriho misku s kultivačnou pôdou obsahujúcou iba citrát. Podľa ich slov otestovali 40 biliónov buniek (to neznamená 40 biliónov testovaných vzoriek, aj malá vzorka obsahuje niekoľko miliónov buniek). Výsledok možné vidieť ako klip týždňa. Zistili, že z tejto hromady baktérií bola schopná tráviť citrany iba malá časť a že šanca na vznik tejto schopnosti je rádovo jedna ku biliónu.

Ďalšou úlohou teraz je zistiť konkrétne genetické mutácie, ktoré viedli k vývoju týchto klonovKlon – v biologii původně populace geneticky identických jedinců, později byl tento termín používán i pro jedince uměle vytvořené genetické kopie, v informatice kopie dat či částí kódu reprezentující vlastnosti a chování.. Aby bola E. Coli schopná živiť sa citranmiCitrát – v úzkém slova smyslu sůl kyseliny citrónové, neboli kyseliny 2-hydroxypropan-1,2,3-trikarboxylové. V biochemii se pojmem citrát myslí též anion kyseliny citronové, disociované ve vodě. Sama kyselina citrónová je bílá, krystalická látka kyselé chuti, používaná v potravinářství pod označením E330., potrebuje špeciálnu bielkovinuBílkoviny – proteiny, vysokomolekulární biopolymery aminokyselin s molekulovou hmotností tisíc až milión. Tvoří strukturální i funkční podstatu živé hmoty. vo svojej bunečnej membráne, ktorá je schopná citrany dopraviť dovnútra. Je možné, že už existujúca bielkovina slúžiaca na prenos nejakej inej molekuly zmutovala do podoby, že bola schopná prenášať aj citrany. Ďalšie mutácie túto už zmutovanú bielkovinu ešte viac vylepšili, resp. jej vytvorili taký podporný aparát, aby bola schopná vykonávať tento prenos efektívnejšie a umožniť tak tomuto klonu poraziť (aspoň dočasne) ostatné klony v prirodzenom výbere, v súboji o zdroje a potomstvo.

Lenski pestoval svojich zhruba 30 000 generácií baktériíBakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně. 20 rokov, neustále bojoval s kontamináciou, baktériám musel venovať nepretržitú starostlivosť a k vytváraniu „fosílnych“ záznamov používal zložité zmrazovacie techniky. Naproti tomu v digitálnej evolúcii, popísanej v bulletine AB 9/2008, prebehne 30 000 generácii organizmov (aj keď podstatne jednoduchších) za niekoľko minút, „fosília“ sa vyrobí kópiou dát na disk, je možné ich ľahko čítať, vyhľadávať v nich žiadané úseky a v piatok večer je možné všetko uložiť, vypnúť a pokračovať v pondelok ráno. Tak ako sa Avida tímu pozorujúcemu digitálnu evolúciu podarilo demonštrovať vznik komplexnej funkcie porovnania dvoch čísiel, podarilo sa Lenského tímu ukázať, že vznik komplexných funkcií, v tomto prípade trávenie citranov, je možný aj v biológii. Môžeme teda predpokladať, že základné princípy evolúcie a prirodzeného výberu sú v oboch prípadoch zhodné, aj keď dôležité a zaujímavé je samozrejme štúdium oboch druhov evolúcie.

Baktéria Escherichia coli vyrastená na Endovej pôde (foto autor).

Klip týždňa: Lenského pracovňa

Lenského pracovňa. V klipe tohto týždňa je možné vidieť, ako vyzerala Lenského pracovňa pri hľadaní baktérií Escherichia coli tráviacich citrany. Zdroj YouTube. (avi/divx, 4 MB)

Odkazy