Legendarisk bakteriell evolusjonseksperiment går inn i en ny æra

Den 24. februar 1988 fylte evolusjonsbiolog Richard Lenski 12 kolber med sukkerholdig vekstmedium og sådd hver med Escherichia coli bakterie. De siste 34 årene har Lenski, ved Michigan State University i East Lansing, og kollegene hans pleiet bakteriekulturene, forfrisket vekstmedier daglig og fryst prøver for fremtidige studier hver par måneder.

De langsiktig evolusjonseksperiment (LTEE) har blitt en hjørnestein i evolusjonsbiologien som forskere fortsetter å hente etter innsikt. I løpet av deres 75 000 generasjoner med vekst, har bakteriene oppnådd store gevinster i formen deres – hvor raskt de vokser i forhold til andre bakterier – og utviklet noen overraskende egenskaper.

Forrige måned tok Lenski og laboratoriet hans en tendens til LTEE for siste gang. Den 12 E coli linjer er nå frosset i kryobeskyttende medier og vil snart bli gjenopplivet for å begynne et nytt liv i laboratoriet til Jeffrey Barrick, en evolusjonsbiolog ved University of Texas i Austin som først jobbet med eksperimentet på 2000-tallet som postdoktor i Lenskis laboratorium.

De to snakket med Natur om fortid, nåtid og fremtid til et av biologiens lengst pågående eksperimenter.

Hva inspirerte deg til å begynne eksperimentet?

Richard Lenski: Jeg liker store åpne spørsmål. Jeg ønsket et veldig enkelt, langt eksperiment for å se på hvor repeterbar evolusjon var. Det opprinnelige målet var 2000 generasjoner. Og jeg fant ut at det fortjener betegnelsen “det langsiktige evolusjonseksperimentet”. Jeg hadde ingen anelse om at det ville gå så lenge det faktisk har gått – og forhåpentligvis vil det gå mye lenger.

Hvorfor holdt du det gående – og gikk og gikk?

Lenski: Det er faktisk et veldig enkelt eksperiment å vedlikeholde. Arbeidsmengden for en person på en vanlig dag er kanskje en halvtime. Det er 365 dager i året, i hvert fall i prinsippet, men arbeidsmengden per dag er ikke enorm.

Og så, selvfølgelig, gjorde bakteriene veldig interessante ting over tid. Nye teknologier dukket opp, som muligheten til å sekvensere genomer billig. Folk som Jeff ble med i laboratoriet og kom med nye ideer og spørsmål. Og bakteriene fortsatte å gjøre interessante ting. Jeg skjønte at det bare skulle fortsette så lenge det er menneskelig mulig.

Hvor mange generasjoner hadde gått da Jeff begynte å jobbe med eksperimentet?

Lenski: Ble du med på laboratoriet i ca. 2007? Det var trolig rundt 40 000 generasjoner.

Jeffrey Barrick: Høres omtrent riktig ut. Jeg visste mindre om eksperimentets historie – kanskje mindre enn mange av Richs postdoktorer og doktorgradsstudenter. Men jeg var på et tidspunkt i min karriere hvor jeg hadde studert evolusjon på molekylært nivå, og sett på alle slags bakteriegenomer. Jeg ønsket å studere evolusjon av hele organismer i laboratoriet og være i stand til å se evolusjon. Det har bare vært noe jeg har vært fascinert av helt siden jeg var bachelor.

Var det noen gang en utfordring å holde eksperimentet i gang?

Barrick: Som Rich sa, det er ganske enkelt. Det er noen store snøstormer og andre ting som pågår, og andre uregelmessigheter i infrastrukturen som kan gjøre det noen ganger utfordrende, men du kan alltid gå tilbake til fryseren, noe som er en veldig fin ting med eksperimentet og gjør det mye mer gjennomførbart enn andre eksperimenter. Folk har prøvd langsiktige eksperimenter med mus og fluer og andre organismer hvor det er veldig vanskelig hvis noe går galt.

Lenski: En av fordelene med det langsiktige eksperimentet er at alt er så enkelt. Vi jobber med et kjemisk definert medium, vi kan fryse stammer og gjenopplive dem slik at banke på ved, jeg synes det skal fortsette ganske greit i det nye hjemmet.

Hva har eksperimentet lært oss om repeterbarheten av evolusjon?

Lenski: Min skjevhet som gikk inn i eksperimentet var at alle belastningene ville gå i svært forskjellige retninger. Jeg tenkte at rollene til tilfeldigheter og beredskap i evolusjon ville ha vært større enn de var. Og gjennom årene har vi faktisk sett slående mengder reproduserbarhet. Så selv om en typisk linje har forbedret sin relative kondisjon sammenlignet med stamfaren med kanskje 70 % eller 80 %, er variasjonen i konkurransedyktighet mellom de fleste linjer mer som bare noen få prosent. Så de har alle økt enormt, men veldig like hverandre.

Men så, gjennom årene har vi også sett ganske slående forskjeller mellom linjene. Tretti tusen generasjoner inn i eksperimentet utviklet en av de 12 linjene evnen til å konsumere sitrat, i stedet for bare glukose. Og det fikk ganske mye oppmerksomhet, og til og med noe, skal vi si, fiendtlighet fra noen mennesker som er skeptiske til evolusjonskraften. Og etter 75 000 generasjoner er det fortsatt den eneste av de 12 linjene som har utviklet den evnen.

Er det store spørsmål om evolusjon som du håper å få svar på ved å gå lenger?

Barrick: For mange bakterier som havnet i enkle, konstante miljøer – spesielt enkle endosymbionter som lever inne i cellene til insekter – krymper genomet deres gradvis over tid. Og jeg vil si at en av de mer overraskende tingene for meg er at disse E coli har vært i et veldig konstant miljø, men genomene deres har ikke krympet særlig mye.

Lenski: Jeg tror at en del av problemet med krymping av genomet er at det er en langsom prosess. Tretti år og 75 000 generasjoner — det er en dråpe i den evolusjonære bøtta. Så jeg vil gjette at hvis vi kunne komme tilbake – om en million år eller hva som helst, ville bakteriene sannsynligvis ha ekstremt redusert genom. Det er en grunn til å fortsette.

Hvorfor bestemte du deg for å sende fakkelen til LTEE?

Lenski: Jeg kommer ikke til å være der for alltid. Jeg tror det er bedre å gjøre disse tingene nå, planlegge dem nøye og gjennomtenkt. Så det var bare fornuftig. Jeg er 65 år gammel, og selv om jeg ikke planlegger å pensjonere meg noen gang i det minste de neste årene, blir laboratoriet mindre. Og en av de viktige tingene for å holde de langsiktige linjene i gang er denne daglige rytmen. Jeg tror en lab som har et halvt dusin eller flere personer er ideelt egnet for helge- og feriedekningen som eksperimentet drar nytte av.

Så jeg spurte Jeff, kanskje i 2018 eller 2019. Jeg har et stipend fra National Science Foundation for å drive eksperimentet, og Jeff er nå en av hovedetterforskeren på det. Og da vi skrev den siste fornyelsen, la vi denne planen for overføringen og at den skulle skje rundt nå.

Hvorfor tok Jeff på seg det?

Barrick: Jeg er en stor talsmann for åpen vitenskap. Dette er en stor ressurs som jeg ønsker å støtte og dele og fortsette. Det har blitt en slags vanlig prøvestein for mange historier om bakteriell evolusjon. Og noe som folk kan ta i så mange retninger. Jeg er glad for å støtte samfunnet.

Er du engstelig for å ta ansvar for et så langvarig eksperiment?

Barrick: Som Rich sa, det er ikke supervanskelig å holde eksperimentet i gang. Det som blir vanskelig er å organisere alle stammene i fryseren, sørge for at du kan sende dem til folk, og alt papirarbeidet som er knyttet til den slags ting.

Jeg vil ikke ha erfaringen der eksperimentet kommer til laboratoriet mitt og deretter blir forurenset, og jeg satte det for to eller tre år tilbake. Jeg vil være sikker på at jeg fortsetter ting veldig bra. Men mye av trykket er av, fordi det er frosset, ikke bare i Richs lab og laboratoriet min, men laboratorier i Frankrike og andre steder. Så det tar trykket av at jeg kan forårsake et uopprettelig problem. Så jeg er mer spent på å utdanne kollegene mine om eksperimentet.

Rich, hva er ditt råd til Jeff?

Lenski: Hold deg rolig og fortsett. Frustrerende ting vil skje. Men eksperimentet er ganske tilgivende. Så lenge hjernen min fungerer, vil jeg være veldig spent på å se hvilke nye spin-off-eksperimenter han og samarbeidspartnere genererer, hvilke nye analyser han og det bredere samfunnet genererer for å forstå hva som skjer med de langsiktige linjene. Sannsynligvis det viktigste Jeff må tenke på om 20 eller 30 år er hvem som er neste?

Barrick: Jobben din er ikke gjort, Richard. Du er fortsatt den beste vitenskapsformidleren og personen for å bringe det langsiktige evolusjonseksperimentet til folk og bygge det fellesskapet. Det er faktisk det mest skremmende som ingen kunne erstatte på det nåværende tidspunkt. Å gjøre eksperimentene er veldig enkelt.