リチャードレンスキ博士の野心的な30年間の実験の様子

細菌の60,000世代が私たちの世界について私たちに教えていること

アート:Natalya Zahn

家系図をどれだけ遡ることができますか?

私の血統は、5人目の曾祖母であるニューヨークのRebecca Ellsworthを中心にぼやけています。 エリザベス女王(どうやら私よりはるかに優れた記録保持者)は、彼女の血統を32人の曾祖父であるウェセックスの大王アルフレッドにさかのぼることができます。 しかし、英国の王族でさえ、孔子についていくのに苦労しています。 この中国の哲学者の子孫は、80世代​​以上の祖先を注意深く追跡してきました。

孔子のシリーズは、人類で最も長い文書化された系図の賞を獲得しましたが、あらゆる形態の生命に競争を拡大すると、遠く離れた次点に追いやられます。

ミシガン州立大学の進化生物学者であるリチャードレンズキは、1988年以来、腸内細菌である大腸菌を使用して実験を行っています。これらの細菌は、理想的な実験室条件下で約20分ごとに新世代を開始できるため、Lenskiのチームは注意深く監視できました。 60,000世代を超えるE. coliの祖先を保存します。

人間の家族はこれらの細菌の系譜の記録と競合することはできません…解剖学的に現代の人間は約12,000世代しか存在していません。 私は自分の祖先を調べただけです。私が有名な誰かの子孫であるかどうかを知りたかったからです(そのような運はありません)。 Lenskiラボの目的はまったく異なります。 彼らは、各世代が変化をもたらし、この段階的な変化がすべての生命の進化の基礎であることを理解しています。 これらの変更はどのように行われますか? それらはどのくらい早く発生しますか? レンズキラボでは、この小さな腸内微生物を使用して、これらの大きな疑問に答えています。

2016年5月26日、ミシガン州立大学の彼の研究室での長期進化実験からのフラスコのトレイを備えたリチャードレンスキ。(写真提供者:Zachary Blount)

研究室の研究者は、細菌培養を継続的に増殖および監視しています。 数か月(または約500世代)ごとに、細菌細胞の一部は、「冷凍化石記録」の一部として、すべての祖先とともに冷凍庫に保存されます。 しかし、これらは生きた化石です。これらの文化のどれでも、実験やDNAシーケンスのために復活させることができます。

Lenskiチームは実験の過程で、いくつかのエキサイティングな変化が発生するのを見てきました。 極端な例の1つとして、彼らは新しい特性の進化を観察しました。それは、新しいタイプの食品を消化する能力です。

実験は、最初はすべて単一の細胞から生じた大腸菌のわずかに異なる12の集団、つまり菌株から開始し、すべてが、ブロスに存在するグルコースをエネルギーの唯一の炭素源として使用しました。 科学者たちはこれらの菌株を少量のグルコースしか含まない培養液で育てましたが、(技術的な理由により)たまたまクエン酸が多く含まれていました。 クエン酸塩はブドウ糖に似ていますが、どの大腸菌株もブドウ糖のようにクエン酸塩を代謝できません。 低グルコース環境では、これらの微生物は飢えていました。

約31,000世代後、12株のうち11株は、再生するエネルギーをグルコースのみに依存していましたが、1株はクエン酸塩を食べる能力も発達させました。 その結果、これらのクエン酸塩を使用する細菌は、それらの11人の兄弟菌株よりも、グルコースに乏しい/クエン酸塩に富む培地ではるかによく成長することができました。 だだ! 進化はまさにベンチトップで起こり、冷凍庫のドアを開くだけで、いつどのようにこれらの変更が行われたかを正確に明らかにすることができました。 研究者たちは、彼らの便利な冷凍化石の記録を使用して、クエン酸塩を食べるバクテリアを生み出した血統の祖先を復活させ、この新しい特性を実現するために必要な手順を示しました。

人間は、私たちが消化できるものと消化できないものの進化の変化を経験しました。 ラクターゼの持続性、成人が乳糖ラクトースを消化する能力、たとえば彼女が喜ぶとすれば、1ガロンのアイスクリームでそれはかなり最近進化した。 ほとんどの哺乳動物は母乳育児の乳児として乳糖しか消化できませんが、人間の一部の集団は生涯この能力を保持しています。 何百世代もの人間を復活させてシーケンスすることはできないため、詳細を特定することは困難ですが、ラクターゼの持続性は、人間が家畜化する方法を見つけた直後に、約7500年前(約300世代)に最初に発生したと推定されています牛(図に行く)。

では、これらの新しい特性はどこから来るのでしょうか? LenskiのE. coli研究は、ランダムな遺伝子変化の適切な組み合わせから新しい形質が生まれるという考えを支持しています。これは、非常にまれですが、十分な時間をかけて発生します。 一部のDNA変異は、生物に明らかな変化をまったく引き起こしません。 他の変異は信じられないほど有害です。たとえば、一部の人々が乳がんにかかりやすくするヒトBRCA1遺伝子の変異です。 しかし、非常に長い間、有益な遺伝的変化が起こり、それによって生物はより健康に、より幸せに、より生産的になります…新しい世代はそれぞれ、新しい改善を探求する機会を持っています。

新しい形質の原因となるDNA変異は、選択のプレッシャーがない場合でもランダムに発生します。 たとえば、腸には抗生物質耐性菌が含まれています。 抗生物質耐性は、常にランダムな突然変異を経験する遺伝子によって与えられる特性です。 あなたが健康で抗生物質を服用していない場合、それらの耐性菌は他のどの菌種よりも有利ではありません。 それらは残りますが、存在する他のすべてのバクテリアと比較して少数です。 抗生物質治療を始めると、これらの変異体には利点があります。 他の全員が殺害されている場合、彼らは繁栄し、人口を「掃引」し、他の株を置き換えることができます。

微生物進化の他の要因と結果を特定することは、医学と進化生物学を横断する活発な研究分野です。 微生物は宿主の健康に大きな影響を与えますが、宿主と同じ制限はありません。 彼らははるかに速く繁殖し、非常に多くの数で存在し、さらに人間ができない方法で遺伝子を交換します。 彼らはまた、Richard Lenskiの作品が示すように、進化が実際にどのように機能するかを理解するという一見不可能に思えるタスクに霊長類の頭脳を巻き込むのに役立ちます。

ダーウィン自身、巻尺と鳥のくちばしコレクションを使用して、進化が起こることを実際に示すことができるだけでした。 それがどのように発生するか、そして次にそれが私たちに何をもたらすかを理解することは、いくつかの微生物の助けを借りて、この世代の仕事です。 進化が進行中のプロセスであることを誰もが理解するのは難しいかもしれませんが、あなたの人生の1年は、マイクロバイオームとあなたが進化する機会の何世代にもわたる価値があることを覚えておいてください。

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