Moleculaire signalen schakelen genetische beperkingen uit
Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF hebben aangetoond dat genetische beperkingen in organismen aan- en uitgeschakeld kunnen worden door moleculen in hun omgeving. Daardoor kan de evolutionaire ontwikkeling van een organisme plots stilvallen. In andere gevallen zal een evolutionair gestagneerd organisme juist weer meedoen in de evolutierace. De bevindingen helpen om de evolutionaire geschiedenis beter te doorgronden, en om de mogelijke toekomst van het evolutieproces in kaart te brengen. De studie wordt op 27 juni 2013 gepubliceerd in PLoS Genetics.
Organismen kunnen zich verbeteren door middel van evolutie, maar aan deze verbetering zitten beperkingen. Zo kan de evolutie bijvoorbeeld nooit fysische wetten overtreden. Daarnaast stokt de evolutionaire vooruitgang ook als voor de 'volgende stap' een zeldzame combinatie van mutaties nodig is.
Moleculaire signalen
Onderzoek in de groep van prof.dr.ir. Sander Tans laat nu zien dat moleculaire signalen dit soort genetische beperkingen sterk kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld van een moleculair signaal is een suiker dat aanwezig is in de leefomgeving van een organisme. Het suiker kan zich binden aan een eiwit van het organisme. Daardoor verandert het eiwit zodanig van vorm dat mutaties de functies van het eiwit op voorheen niet voorgekomen manieren beïnvloeden. Daardoor kan een eiwit en organisme dat evolutionair stil ligt weer meedoen aan de evolutionaire rat race. Andersom is het ook mogelijk – een molecuul dat zich aan een eiwit bindt kan een evolutionaire spurt van het eiwit juist platleggen.
Experimentele aanpak
De onderzoekers ontwikkelden voor deze studie een geheel nieuwe aanpak. Het was voorheen al mogelijk natuurlijke evolutie gedurende een periode te volgen door bijvoorbeeld bacteriën in een reageerbuis te groeien. Een dergelijke methode laat echter alleen zien wat er gebeurt, niet waarom.
Daarom reconstrueerden de FOM-onderzoekers kunstmatig de relevante genetische varianten van het E. coli lac-onderdrukker eiwit, dat lactose kan binden. Dit onderdrukker eiwit detecteert lactose in zijn omgeving. Wanneer geen lactose aanwezig is, verandert het eiwit van vorm waardoor hij de productie van lactose-afbraakenzymen zal tegenhouden. De onderzoekers bepaalden het groeipotentieel van de E. coli-bacteriën met en zonder een lactose-analoog in de omgeving. De metingen vormden een meer-dimensionele 'kaart' van de relatie tussen het moleculair signaal, het groeipotentieel en de genetische variaties ten gevolge van mutaties. De kaart liet het aan- en uitschakelen van genetische beperkingen door de moleculaire signalen zien.
De studie helpt het evolutieproces, zowel in de geschiedenis als in de toekomst, beter te begrijpen. Daarnaast is de ontdekking van belang om bijvoorbeeld de evolutie van antibioticaresistentie beter te begrijpen.
Referentie
Environmental dependence of genetic constraint, Marjon G. J. de Vos, Frank J. Poelwijk, Nicholas Battich, Ndika Tanyi and Sander J. Tans, PLoS Genetics, June 2013
Contact
Prof.dr.ir. Sander Tans, +31 (0)20 754 71 00.
Homepage