1988. február 24-én, azaz pontosan 32 évvel ezelőtt kezdődött az evolúcióbiológia egyik nagyszabású kísérletsorozata az amerikai evolúcióbiológus, Richard Lenski vezetésével. Ekkor az Escherichia coli (E. coli) nevű, mikrobiológusok által modellszervezetként alkalmazott baktérium egy törzsét (REL606) 12 külön tápoldatba oltották. 

Azóta minden nap, egymástól függetlenül átoltják a baktériumoktenyészeteket friss, szénforrásként csak szőlőcukrot tartalmazó táptalajra. A baktériumok minden nap átlagosan 6,64-szer osztódnak, azaz mára több mint 75 000 generáción vannak túl. Minden 500 generációt követően, azaz 75 naponként lefagyasztanak a populációkból, így bármikor feléleszthető formában jelen van mind a 12 populáció evolúciós múltja. 

Az azonos ősből kiinduló, független leszármazási vonalak teljesen különböző evolúciós utat jártak be. Bár mindegyikük egyre gyorsabban képes osztódni a táptalajukon (Wiser et al. 2013), elég jelentős genetikai különbség van köztük (Good et al. 2017).

A mai évfordulón ezen kísérlet előtt tisztelgünk egy friss eredményük ismertetésével.

A kísérletben tenyésztett baktériumpopulációk antibiotikum mentes környezetben növekednek, és az alapító törzs is elég fogékony az antibiotikumokra. Még az antibiotikumok tömeges bevetése előttről laboratóriumban tenyésztik és a laborban sohasem szelektálták rezisztenciára. Egyedül a sztreptomicinre rezisztens, amit egyfajta „faji jellegzetességként” alakítottak ki ebben a törzsben (leszármazási vonalban).

Csökken vajon a rezisztancia?

Az evolúciós elméletek azt vélelmezik, hogy az antibiotikummentes környezetben növekedő populációk rezisztenciája csökkenni fog. Az antibiotikum-rezisztencia fenntartása általában költséges. Lenski és munkatársai (Lamrabet et al. 2019) az alapító populáció, illetve 2000 és 50 000 generációnyi evolúciót maguk mögött tudó verzióinak 15 antibiotikumra való fogékonyságát vizsgálták. Itt jön elő a kísérlet hosszú idejének és a múlt elővehetőségének fontossága: hasonló vizsgálat csak úgy lehetséges, ha most elkezdve várunk 50 000 generációt, ami úgy 20 évnyi várakozást jelent. Ebben az esetben viszont ezek az állapotok elővehetők a mélyhűtőből. Az evolúciós múlt mindig rendelkezésre áll, mintha mi bármikor megvizsgálhatnánk egy élő, másfél millió éves emberelődöt.

Általánosan elmondható, hogy az antibiotikumtól mentes környezetben fejlődő leszármazási vonalak egyre inkább fogékonyak lettek az antibiotikumra, ahogy azt vártuk. Igen fontos, hogy legnagyobb fogékonyságnövekedés az első 2000 generációban történt. Találtak viszont olyan antibiotikumot, amire kissé rezisztensebbé váltak a leszármazási vonalak, de olyat is, amelyre előbb nőtt a rezisztencia, majd csökkent vagy fordítva. Azaz bőven van variancia a rendszerben, az evolúció nem jósolható tökéletesen.

Változatosan reagálnak

Az evolúciós út jósolhatatlanságát egy másik kísérletben is megmutatták (Card et al. 2019). Itt csak kiragadott négy leszármazási vonal érzékenységét vizsgálták ampicillinnel, cefritaxonnal, tetraciklinnel és ciprofloxacinnal szemben. Az első hárommal szemben mind a négy, a negyedikkel szemben kettő leszármazási vonal lett fogékonyabb. Ez egybecseng a korábban bemutatott eredményekkel. Itt viszont nemcsak az érzékenységet vizsgálták, hanem azt is, hogy mennyire változhat a rezisztencia, ha újból antibiotikumos környezetbe kerül a baktérium. Egy környi szelekciónak tették ki a leszármazási vonalakat (azaz növesztették őket antibiotikum jelenlétében). Azt várták, hogy minél csekélyebb egy populáció rezisztenciája, annál nagyobbat fog változni ugyanakkora szelekciós nyomásra. Ezen várakozás mögött az áll, hogy egyre valószínűtlenebb egy újabb jelentősen előnyös mutáció, amikor már valamennyi ilyen jelen van (csak véges féleképpen lehet jobb valami). Ez nem jött be. Az egy környi szelekcióra is igen változatosan reagáltak a különböző leszármazási vonalak. Volt, amely többet, volt amely kevesebbet tudott javulni, és ez független volt a szelekció előtti rezisztanciaszintjüktől. A leszármazási vonalak evolúciós múltja (a bennük felgyülemlett genetikai változás) jelentősen megszabta, hogy milyen új változások lehetnek benne.

Ez a felismerés azért fontos, mert a jelenleg terjedő antibiotikum-rezisztens törzsek jelenlegi rezisztenciaszintje nem jelzi, hogy mennyire válhatnak még rezisztensebbekké, azaz a megfigyelés alatt tartott rezisztens baktériumoknak az evolúciós potenciálját is érdemes vizsgálni.

A szerző az MTA - ELTE Elméleti Biológiai és Evolúciós Ökológiai Kutatócsoport főmunkatársa. További cikkei a Qubiten itt olvashatók.   

Hivatkozott irodalom

Wiser, M. J., Ribeck, N. és Lenski, R. E. 2013. Long-term dynamics of adaptation in asexual populations. Science 342(6164): 1364–1367

Good, B. H., McDonald, M. J., Barrick, J. E., Lenski, R. E. és Desai, M. M. 2017. The dynamics of molecular evolution over 60,000 generations. Nature 551(7678): 45–50

Lamrabet, O., Martin, M., Lenski, R. E. és Schneider, D. 2019. Changes in intrinsic antibiotic susceptibility during a long-term evolution experiment with Escherichia coli. mBio 10(2): e00189-19

Card, K. J., LaBar, T., Gomez, J. B. és Lenski, R. E. 2019. Historical contingency in the evolution of antibiotic resistance after decades of relaxed selection. PLOS Biology 17(10): e3000397

A szerző az MTA - ELTE Elméleti Biológiai és Evolúciós Ökológiai Kutatócsoport főmunkatársa. További írásai a Qubiten:

Egy véges világban nem lehet végtelenül növekedni, mert annak az emberiség issza meg a levét

Kun Ádám tudomány 2019. december 20.

A Föld lakosságának egy része kénytelen lesz engedni életszínvonalából, míg mások sohasem ízlelhetik meg azt, ami nekünk itt az elmúlt évtizedekben megadatott. Mindezt olyan környezetben, ahol a technika fejlődése egyre jobb és kényelmesebb jövőt ígér, aminek áráról mélyen hallgatunk.

Lehetetlen küldetésnek tűnik, hogy 10 milliárd ember jóllakjon, és a felmelegedés is 2 fok alatt maradjon

Kun Ádám tudomány 2019. november 22.

A felmelegedés önmagában is a mezőgazdasági termelés visszaesését vonja maga után a Föld nagy részén, ráadásul a növekvő népesség etetéséhez 56 százalékkal kellene növelni az élelmiszer-termelést. Ehhez viszont sem elég megművelhető föld, sem elég víz nem áll rendelkezésre. A Budapesten rendezett Tudományos Világfórumon kutatók kongatták a vészharangot.

Az ember megszokja a klímaváltozást, mint a lassan fövő béka

Kun Ádám tudomány 2019. április 27.

Alig eszmélt rá a világ a klímaváltozásra, félő, hogy rögtön rá is un a témára, mutat rá egy interdiszciplináris kutatás. Több milliárd tweet elemzéséből az derült ki, hogy az emberek a változó időjárást is képesek megunni, ha túl sok az extrém jelenség.

Amikor állat gyilkol állatot: a vérengző üregi nyúltól a gyerekgyilkos mormotáig

Kun Ádám tudomány 2018. október 18.

Nem csak az ember öli saját fajának tagjait, sőt messze nem az ember a legagresszívabb állat a Földön. Szemelvények a palackorrú delfinek, a koalák és a csimpánzok rémtetteiből.