Licht op blinde vlek in evolutietheorie
Een biologisch systeem 'weet' na één mutatie al in welke richting het verder moet muteren om tot een succesvol eindresultaat te komen. Dit blijkt uit simulaties die onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben uitgevoerd. Het ontwikkelen van een ingewikkelde nieuwe functie kan dus blijkbaar sneller en gemakkelijker verlopen dan eerder gedacht. Tot nu toe was het niet eens goed mogelijk om het stapsgewijze gedrag van evolutie te bestuderen en bleef het bij hypotheses. Het vernieuwende van deze studie is dat de onderzoekers hebben gekeken naar experimenteel gereconstrueerde evolutionaire tussenvormen en vervolgens evolutionaire paden hiertussen konden berekenen. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 26 mei 2006 in Public Library of Science Computational Biology. Een illustratie uit het artikel komt op de omslag van het blad.
Volgens de evolutietheorie die Darwin in de tweede helft van de negentiende eeuw ontwikkelde, zouden complexe biologische systemen zoals bomen, fruitvliegen of mensen stap-voor-stap via een aantal kleine veranderingen moeten ontstaan uit hun voorgangers. Samen leveren deze veranderingen een levensvatbaar systeem op dat voordelen heeft ten opzicht van zijn voorganger. Rondom Darwin's theorie zijn echter nog steeds veel vragen: hoe kan het systeem ‘weten’ welke stappen het moet nemen? Bestaat er überhaupt wel een serie stappen die realiseerbaar is, waarbij de tussenvormen levensvatbaar zijn? Het maken van een complex systeem, waarin een aantal onderdelen moet veranderen om een verbetering te krijgen, lijkt dan bijna ondoenlijk als er maar één onderdeel tegelijk veranderd mag worden.
Darwin anticipeerde in zijn boek The origin of species zelf al op dit mogelijke probleem, dat tot op de dag van vandaag onopgelost is. Deze blinde vlek in onze kennis voedt bijvoorbeeld de ideeën over Intelligent Design, maar is ook simpelweg de motor achter onze voortdurende interesse in de echte 'engineering' capaciteit van evolutionaire processen.
Evolutionaire tussenvormen
Onderzoek naar evolutieprocessen is lastig. Door naar huidige organismen en hun DNA-sequentie te kijken zijn de evolutionaire eindresultaten relatief gemakkelijk op te sporen. Echter, de beslissende momenten in de evolutie liggen bij de tussenvormen. Jammer genoeg zijn deze tussenvormen maar tijdelijk en sporadisch aanwezig. Daardoor zijn ze lastig te traceren en ontglippen ze aan observatie.
Om toch een beeld te kunnen krijgen van deze tussenvormen hebben Frank Poelwijk, Daan Kiviet en Sander Tans van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam een nieuwe methode bedacht. In deze methode keken ze expliciet naar de tussenvormen. Door gebruik te maken van metingen aan een grote collectie varianten (mutanten), konden zij waarschijnlijke evolutionaire tussenvormen recreëren. Daarna berekenden ze systematisch welke paden tussen deze mutanten haalbaar zijn.
Juiste mutatierichting
Centraal in het onderzoek stond de moleculaire herkenning tussen een eiwit en DNA in een modelsysteem. Moleculaire herkenning is een van dé centrale functies die cellen in staat stellen zichzelf te reguleren. Hierbij herkennen het eiwit en een specifiek segment van het DNA elkaar. Als bijvoorbeeld een suiker afgebroken moet worden, wordt dit gesignaleerd doordat het eiwit niet aan het DNA bindt. Wanneer daarentegen het suiker niet aanwezig is en dus ook niet afgebroken hoeft te worden, bindt het eiwit wel aan het DNA-segment en worden de afbraakprocessen geblokkeerd. Dit soort moleculaire herkenning kan men vergelijken met een sleutel die in een slot past.
De onderzoekers hebben nu bestudeerd of en hoe een nieuw slot met unieke sleutel kan ontstaan door mutatie en selectie. Ze onderzochten hoe als het ware én het slot én de sleutel muteerden tot een nieuwe passende combinatie. In dit probleem lijkt wel een dilemma te schuilen. Hoe moet je immers een slot veranderen voor een sleutel die nog niet bestaat, en omgekeerd? De uitkomst dat het systeem na één mutatie al 'weet' wat de juiste mutatierichting is, was dan ook verrassend. Het gevolg is dat het systeem met hoge kans en snel de goede eindvorm vindt.
De onderzoekers beschouwen evolutie uiteraard als een willekeurig proces. Evolutie is voor te stellen als de loop van een dronkaard in een heuvelachtig landschap. De dronkaard moet naar de hoogste top, die hij niet kan zien. Een lage bult of een greppel voor de top kan de dronkaard misleiden. Het 'weten' betekent hier dat dit landschap er kennelijk toch zo uitziet dat het de dronkaard toch snel de juiste richting opwijst, namelijk naar het hoogste punt.
Neutrale of Darwinistische evolutie
Ondanks de complexiteit van het systeem van verschillende interacterende moleculen, blijkt het zich dus toch zeer gemakkelijk te kunnen aanpassen door een snelle positieve selectie. De resultaten van het Amsterdamse onderzoek weerspreken daarmee bijvoorbeeld het belang van zogenaamde ‘neutrale’ evolutie, een hypothese die de laatste vijftig jaar veel aanhang heeft verworven. Hierin ontwikkelt een systeem zich door mutaties die in eerste instantie geen voordeel geven. Na verscheidene van dit soort neutrale mutaties merkt het systeem pas een verbetering. Elk van deze stappen heeft in dit model echter een kleine kans om plaats te vinden, met als consequentie dat de totale kans om bij het eindresultaat uit te komen uiteindelijk onwaarschijnlijk klein lijkt te worden. Nu snelle Darwinistische evolutie wel mogelijk blijkt te zijn, worden de kansen op een levensvatbare eindvorm absoluut realistisch. De onderzoekers verwachten dat dit soort evolutionaire processen in experimenten te volgen zouden moeten zijn. Inmiddels lopen er verschillende experimenten bij AMOLF in deze richting.
Momenteel is er veel belangstelling voor onderzoek naar deze evolutionaire tussenvormen. Eind april verschenen in Science twee publicaties in deze richting, waarin de evolutie van andere moleculaire modelsystemen ontrafeld werd.
Meer informatie is te verkrijgen bij dr.ir. Sander Tans, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.