Een experiment dat 600 keer wordt herhaald, vindt hints naar de geheimen van evolutie

In een laboratorium in Atlanta worstelen duizenden gistcellen elke dag om te overleven. Organismen die nog een dag leven groeien sneller, planten zich sneller voort en vormen de grootste agglomeraties. Gedurende ongeveer een decennium zijn cellen geëvolueerd om zich aan elkaar te hechten en vertakkende sneeuwvlokvormen te vormen.

Deze vreemde sneeuwvlokken staan ​​centraal in experimenten die onderzoeken wat er miljoenen jaren geleden zou kunnen zijn gebeurd toen eencellige organismen samenkwamen om meercellig te worden. Dit proces leidde uiteindelijk echter tot zulke fantastisch onpraktische en bizarre wezens als octopussen, struisvogels, hamsters en mensen.

Hoewel wordt aangenomen dat meercelligheid minstens 20 keer is geëvolueerd in de geschiedenis van het leven op aarde, is het niet duidelijk hoe organismen zijn overgegaan van een enkele cel naar vele organismen die een lot delen. Maar in Dat blijkt uit een onderzoeksartikel dat woensdag is gepubliceerd in het tijdschrift NatureOnderzoekers onthullen een aanwijzing voor hoe cellen zichzelf beginnen te bouwen in het lichaam. Het team dat Snowflake-gist produceerde, ontdekte dat meer dan 3000 generaties gistklonten zo groot waren geworden dat ze met het blote oog te zien waren. Gaandeweg is het geëvolueerd van een zacht, zacht materiaal naar iets met de hardheid van hout.

Will Ratcliffe, een professor aan Georgia Tech, begon te experimenteren met gist toen hij op de graduate school zat. Hij werd geïnspireerd door Richard Lenski, een bioloog van de Michigan State University, en collega’s die 12 flesjes E. coli hebben gekweekt over meer dan 75.000 generaties en sinds 1988 hebben gedocumenteerd hoe populaties zijn veranderd. Dr. Ratcliffe vroeg zich af of het bestuderen van evolutie die cellen aanmoedigt om aan elkaar te kleven, licht zou kunnen werpen op de oorsprong van meercelligheid.

“Alle afstammingslijnen waarvan we weten dat ze meercellig zijn geëvolueerd,” zei hij, “hebben deze stap honderden miljoenen jaren geleden gemaakt.” “En we hebben niet veel informatie over hoe enkele cellen clusters vormen.”

Dus deed hij een eenvoudig experiment. Elke dag roteerde hij de gistcellen in een reageerbuis, zoog hij de cellen op die het snelst naar de bodem zakten, en gebruikte ze om de volgende dag de gistpopulatie te laten groeien. Hij redeneerde dat als het zou selecteren voor de zwaarste individuen of groepen cellen, er een stimulans zou zijn voor de gist om een ​​manier te ontwikkelen om bij elkaar te blijven.

En het werkte: Binnen 60 dagen is sneeuwvlokkengist ontstaan. Wanneer deze gisten zich dankzij de mutatie delen, scheiden ze niet volledig van elkaar. In plaats daarvan vormen ze vertakkende structuren van genetisch identieke cellen. Gist is meercellig geworden.

Maar Ratcliffe ontdekte dat de sneeuwvlokken, terwijl hij doorging met onderzoeken, niet erg groot leken te zijn geworden en koppig microscopisch klein bleven. Hij crediteert Ozan Bozdag, een postdoctoraal onderzoeker in zijn groep, voor de doorbraak in zuurstof of hypoxie.

Voor veel levende wezens dient zuurstof als een soort raketbrandstof. De energie die is opgeslagen in suikers is gemakkelijk toegankelijk.

Dr. Bozdag gaf zuurstof aan een deel van de gist in het experiment en transplanteerde anderen die een mutatie hadden waardoor ze het niet konden gebruiken. Hij ontdekte dat in de loop van 600 transfers de zuurstofarme gist in volume explodeerde. Hun sneeuwvlokken groeiden en groeiden en werden uiteindelijk zichtbaar voor het blote oog. Nauwkeurig onderzoek van de formuleringen onthulde dat de gistcellen veel langer waren dan normaal. De takken waren ineengestrengeld tot een dichte klomp.

Wetenschappers geloven dat deze dichtheid kan verklaren waarom zuurstof zo’n barrière vormt voor gistgroei. Voor gist die zuurstof kon gebruiken, had het vergroten van hun volume grote nadelen.

Zolang de sneeuwvlokken klein bleven, hadden cellen over het algemeen gelijke toegang tot zuurstof. Maar door de grote, dichte vullingen zijn de cellen in elke klomp afgesloten van zuurstof.

Gist dat daarentegen geen zuurstof kan gebruiken, heeft niets te verliezen, en dus werd het groot. De resultaten geven aan dat het voeden van alle cellen in een cluster een belangrijk onderdeel is van de compromissen waarmee een organisme wordt geconfronteerd wanneer het meercellig wordt.

De gevormde groepen zijn ook moeilijk.

“De hoeveelheid energie die nodig is om deze dingen te breken, is met meer dan een factor een miljoen toegenomen”, zegt Peter Junker, professor aan Georgia Tech en co-auteur van het artikel.

Deze kracht kan de sleutel zijn tot een volgende stap in de ontwikkeling van meercelligheid, zegt Dr. Ratcliffe – de ontwikkeling van zoiets als een bloedsomloop. Als cellen binnen een grote massa hulp nodig hebben om toegang te krijgen tot voedingsstoffen, is een object dat sterk genoeg is om de vloeistofstroom te sturen van cruciaal belang.

“Het is als het afvuren van een brandslang in een gistmassa”, zei dr. Juncker. Als de cellulaire massa slecht is, zal deze instroom van voedingsstoffen het vernietigen voordat elke cel kan voeden.

Het team onderzoekt nu of dichte klonten sneeuwvlokkengist manieren kunnen ontwikkelen om voedingsstoffen naar hun binnenste organen te brengen. Als dat zo is, kunnen deze gisten in hun reageerbuizen in Atlanta ons misschien iets vertellen over hoe het was, eeuwen geleden, toen je voorouders en vele organismen om je heen begonnen met het bouwen van lichamen uit cellen.