En het meest verbazingwekkende is wel de ongelofelijke diversiteit die in dit extreem korte tijdsbestek ontstond.
De beroemde bioloog Charles Darwin dacht in de 19e eeuw dat evolutie een traag en geleidelijk proces was. Aanpassingen zouden slechts in een gestaag tempo aan volgende generaties worden doorgegeven. Maar tegenwoordig zien biologen hoe evolutionaire veranderingen zich op veel snellere tijdschalen voltrekken. Zelfs binnen drie weken kunnen er al aanzienlijke veranderingen plaatsvinden!
Bacteriën en virussen
Wetenschappers verbonden aan de Universiteit van San Diego plaatsen bacteriën (Escherichia coli) en virussen (bacteriofagen) samen in een kleine, afgesloten laboratoriumkolf, die slechts zo groot was als twee theelepels. Het doel was om co-evolutie in actie te observeren. En dat lukte. Tot hun grote verbazing zagen de onderzoekers hoe de virussen hun bacteriële gastheren infecteerden terwijl de bacteriën tegelijkertijd nieuwe manieren ontwikkelden om zich tegen deze aanvallen te verdedigen. Vervolgens voerden de virussen weer hun eigen evolutionaire veranderingen door, waarmee ze de nieuw verworven verdedigingsmechanismen van de bacteriën omzeilden.
Drie weken
In een tijdsbestek van slechts drie weken leidde deze ‘wapenwedloop’ tussen de strijdende bacteriën en virussen tot verschillende evolutionaire aanpassingen. “In deze studie laten we de kracht van evolutie zien,” zegt onderzoeker Justin Meyer. “We observeren hoe de wederzijdse evolutie tussen bacteriën en bacteriofagen resulteert in de ontwikkeling van een uiterst complex ecologisch netwerk. Het benadrukt dat evolutie niet per se langzaam en geleidelijk verloopt, zoals Darwin ooit dacht.”
Diversiteit
Dat bacteriën en virussen snel evolueren, is overigens al wel langer bekend. “We hebben vaker gezien dat bacteriën binnen enkele dagen resistentie tegen virussen ontwikkelen,” vertelt onderzoeker Josh Borin in een interview met Scientias.nl. “Wat onze studie echter zo intrigerend maakt, is de overvloedige diversiteit die zich in slechts drie weken ontvouwt. Voorheen werden dergelijke niveaus van diversiteit en complexiteit alleen waargenomen in natuurlijke systemen die millennia aan evolutie hadden doorgemaakt. Ons onderzoek toont aan dat, onder de juiste omstandigheden, dit verrassend snel kan plaatsvinden.”
Snel
Dat dit zo snel verloopt, kan Borin goed verklaren. “Micro-organismen zoals bacteriën en virussen zijn ontzettend talrijk en vermeerderen zich snel,” legt hij desgevraagd uit. “In één laboratoriumfles kunnen meer bacteriële cellen zitten dan er mensen op aarde zijn – en binnen een dag kunnen ze meer dan zeven generaties doorlopen (wat overeenkomt met ongeveer 200 jaar in menselijke generaties). Dit betekent dat bacteriële en virale populaties veel genetische veranderingen ondergaan. Als nieuwe mutaties beter werken, nemen deze snel de overhand en worden ze dominant over de hele groep micro-organismen in de fles.”
Opvallende mutaties
Welke opvallende mutaties de onderzoekers ontdekten? “Wat ons verraste, was dat virussen evolueerden om gebruik te maken van drie verschillende receptoren,” legt Borin uit. “Ter vergelijking, in de natuur gebruiken de meeste bacteriofagen slechts één receptor, met enkele uitzonderingen die er twee gebruiken. Onze studie markeert een primeur, omdat we voor het eerst ontdekten dat een bacteriofaag drie verschillende onafhankelijke receptoren kan benutten om een bacterie te infecteren. Dit betekent dat bacteriën aanzienlijk meer moeite zullen hebben om resistentie te ontwikkelen, aangezien het virus drie verschillende ‘ingangen’ heeft om de bacteriële cel binnen te gaan.”
Patronen
Wat de onderzoekers bovendien verraste, was de constatering dat hun evolutie-experiment in kleine laboratoriumkolven de complexe patronen had gereproduceerd die eerder waren waargenomen bij bacteriën en virussen verzameld op zowel regionale als transoceanische schalen. En dat is opmerkelijk. Tot voor kort dacht men dat het ontstaan van zulke complexiteit langdurige perioden van evolutie vereiste. “Ons onderzoek onthult niet alleen dat dit soort evolutionaire patronen snel kunnen ontstaan, maar ook dat dit kan gebeuren in goed gemengde en homogene kolven,” zegt Borin. “Het betekent dat alleen de interacties tussen bacteriën en virussen genoeg zijn om verschillende soorten biodiversiteit te creëren, zonder dat dit afhangt van ruimtelijke structuur of lange evolutietijden.”
COVID-19
De onderzoekers benadrukken het belang van het observeren van evolutionaire ontwikkelingen in realtime. Bovendien toont de studie zoals gezegd de kracht van evolutie aan, iets dat vaak wordt onderschat. De snelle evolutie van ziekteverwekkers blijft nieuwe uitdagingen en veranderingen in onze wereld veroorzaken. Denk nog maar eens terug aan de omvangrijke corona-pandemie. De opkomst van COVID-19 en nieuwe varianten van het SARS-CoV-2-virus toonden aan dat virussen over het opmerkelijke vermogen beschikken om snel te evolueren. Ze passen zich aan aan antilichamen, vaccins en andere hindernissen, wat resulteert in de ontwikkeling van nieuwe virusstammen die effectief infecteren en zich verspreiden. Dit benadrukt de impact van microbiële evolutie op de gezondheidszorg en hoe het onze benadering van behandeling en preventie beïnvloedt. “We moedigen dan ook inspanningen om virusevolutie te bestuderen aan, om zo toekomstige epidemieën en pandemieën te voorkomen,” aldus Borin.
Al met al verschaft de studie belangrijke nieuwe inzichten in de evolutie van het leven. “De evolutie van het leven op aarde heeft geleid tot zeer ingewikkelde ecosystemen waarin verschillende soorten met elkaar interageren en samen netwerken vormen,” zegt Borin. “Het is echter uitdagend om te bestuderen hoe deze complexiteit in deze netwerken evolueert, omdat hier normaal gesproken veel tijd overheen gaat. Toch is het cruciaal om te begrijpen hoe deze complexe structuren ontstaan, aangezien dit een fundamentele eigenschap van het leven is. In dit onderzoek laten we zien dat zelfs eenvoudige processen kunnen leiden tot de vorming van ingewikkelde ecologische netwerken. Het betekent bovendien dat we bacteriën en bacteriofagen eigenlijk als model kunnen gebruiken om de algemene evolutionaire principes beter te doorgronden.”
