Gondolom mindenki ismeri Richard E. Lenski hosszú távú E. coli kísérletét. Aki nem, annak nagy vonalakban elmondva, több mint húsz évvel ezelőtt (1988 -ban) tizenkét E. coli kultúrát indítottak, amelyeket szőlőcukorban szegény, citromsavban gazdag táptalajra tettek. Azóta naponta friss táptalajra helyezik őket és ötszáz nemzedékenként mintát vesznek belőlük, amelyeket fagyasztva tárolnak. Dolphin is írt már a kísérletről, de azóta is folyton újabb közlemények jelennek meg róla, úgyhogy ma egy ilyen írást veszünk górcső alá.
Mivel a második generációs szekvenálómódszerek már viszonylag olcsón hozzáférhetőek, lehetővé vált, hogy a kísérletben félretett és fagyasztva tárolt baktériumok teljes genomját megszekvenálva végigkövessék a baktériumtörzsek evolúcióját. A kétezredik, ötezredik, tízezredik, tizenötezredik, húszezredik és negyvenezredik nemzedékből vettek mintát, ezek örökítőanyagát hasonlították össze. Ha emlékszünk rá, a aerob citromsavemésztés képessége a húszezredik és a negyvenezredik nemzedék között alakult ki, meglepő módon a negyvenezredik nemzedék genomjáról szinte semmilyen adatot sem találunk ebben a közleményben.
A húszezredik nemzedék genomja negyvenöt mutációt hordoz a kiindulási törzs genomjához képest, ebből huszonkilenc pontmutáció, tizenhat pedig deléció vagy inszerció, ezeket mutatja az első ábra. Narancssárgával jelöltek egy óriási, a genom jelentős részét érintő inverziót. Ezen nagyon jól látszik az evolúció működése, nyilván húsz év alatt csillagászati mennyiségű mutáció történt ebben a baktériumtörzsben, de ezek túlnyomó többsége egyszerűen kiszelektálódott, elveszett, csak viszonylag kis hányaduk rögzült a populációban. A meglepő ebben az, hogy mint ahogy a második ábrán látható (a kék grafikon a rögzült mutációk számát mutatja), ezek a mutációk gyakorlatilag azonos sebességgel halmozódtak föl, míg ha megnézzük a zöld görbét, ami a törzs fittneszét mutatja a nemzedékek függvényében, látható, hogy véletlenül sem lineáris változást mutat, az első 4-5 mutáció egyről másfélre növelte a törzs életképességét, míg a következő negyven mutáció másfélről egy egész kilencre növelte az életképességet. Ezen nincs mit csodálkozni, nyilván az elején megtörténtek azok a mutációk, amelyek viszonylag nagy mértékben növelték az életképességet, hiszen ezek az egyedek nagy előnybe kerültek a többihez képest, könnyen elszaporodtak, így ezek a mutációk könnyen rögzültek. A később rögzült mutációk azok, amelyek kisebb előnyt jelentenek a hordozójuknak, ezekből nyilván több lehetséges, viszont nehezebben rögzülnek, hiszen viszonylag kisebb előnyt jelentenek hordozójuknak.
Magyarán, a leggyorsabb módja, hogy egy mutáció rögzüljön egy populációban, ha a hordozó egyed túlnövi az összes többit. Ha egy időben jelen van a populációban A (életképesség 1,6), B (életképesség 1,1) C (életképesség 1,001) D (életképesség 1,3), akkor nyilván az A mutációt hordozó egyedeknek van a legnagyobb esélye, hogy a többieket túlnőve egyeduralkodóvá váljanak a populációban, mert ők szaporodnak a leggyorsabban. Viszont ha már minden egyed hordozza az A mutációt, az ő életképességük azonos, ha köztük újra megjelenik a B C D mutáció, a D -t hordozó egyedeknek van nagyobb esélyük túlnőni a többieket és így tovább. Véletlenül sem arról van tehát szó, hogy valamilyen módon irányítottak a mutációk.
Lehet úgy érvelni, hogy a felhalmozott mutációknak semmi köze sincs az életképességhez, egyszerűen semlegesek, azért halmozódnak fel egyenletes sebességgel. Itt viszont kihasználható az eredeti kísérleti elrendezés egyik előnye, hiszen tizenkét párhuzamos baktériumkultúrát indítottak annak idején, amelyek hasonló módon alkalmazkodtak az új táptalajhoz, ha megnézik, hogy egy génben a törzsek mekkora hányadában történt mutáció, kimutatható, mely változások előnyösek. Hiszen bár a mutációk véletlenszerűen történnek, a szelekció egyáltalán nem véletlenszerű, azonos körülmények közé helyezett élőlényekben ugyanazok a mutációk előnyösek. Pontosan ezt tették, tizennégy gént választottak ki, amelyek a vizsgált törzsben eltérnek a szülői törzstől és megnézték, hogy a többi tizenegy törzsben ezek tartalmaznak -e mutációkat? Nem meglepő módon azt találták, hogy a nadR génben mind a tizenkét törzs hordozott valamilyen mutációt, úgyszintén az összes törzs pykF génje is eltért a szülői törzsétől, valamint a rbs operonbban is mind különbözött a szülői törzstől. Érdekes módon, nem ugyanazok a mutációk történtek az egyes törzsekben, így kizárható, hogy valamilyen keveredés történt volna a törzsek között. Ha megnézzük a táblázatot, találhatunk még géneket, amelyek a törzsek kétharmadában vagy felében megváltoztak, míg olyanok is láthatóak, amelyek csak ebben az egy törzsben hordoznak mutációt. Nyilván azok a mutációk, amelyek a törzsek nagy részében megtörténtek egyértelműen előnyösek, míg amelyek csak az egyikben, azok talán egyáltalán nem előnyösek, egyszerű genetikai sodródás eredményei.
Hogy eldöntsék, helyes -e a feltételezésük, egyesével megvizsgálták a kérdéses mutációkat és azt tapasztalták, hogy ezek nagy része önmagában előnyös, ez látható a következő ábrán.
A tárgyalt törzs valahol a húszezredik és a negyvenezredik nemzedék között mutátor fenotípust kezdett mutatni, vagyis osztódáskor a szülői törzsnél jóval több mutáció keletkezett. Ezt több másik törzsnél is megfigyelték, bár ott hamarabb megtörtént. Az első húszezer nemzedék alatt kevesebb mint ötven mutáció rögzült ebben a törzsben, míg a második húszezer nemzedék alatt több, mint hatszáz. Ez egyértelműen mutatja, hogy a mutációs ráta emelkedése gyorsítja az alkalmazkodást, így egyértelműen előnyös új környezetben, különben a mutátor egyedek sohasem tudták volna túlnőni a többieket.
A hosszú távú E. coli evolúciós kísérlet igazi fatengelyes munka, tulajdonképpen semmit sem csinálnak a baktériumokkal, csak hagyják őket osztódni. Ennek ellenére, vagy talán éppen ezért rendkívül szemléletes, gyönyörűen mutatja az evolúció működését. Gyakori tévhit, hogy az evolúció teljes egészében véletlen folyamat, de mint látjuk, ez egyáltalán nem igaz, a mutációk valóban véletlenszerű változások, de a sok mutációból csak viszonylag kevés rögzül, az viszont egyáltalán nem véletlen, hogy melyek ezek. Ennek következménye, hogy mint látható tizenkét azonos körülmények közé helyezett törzsben meglepő módon sokszor ugyanazok a gének változnak meg az evolúció során, nyilván azok, amelyek változása az adott körülmények között előnyösek.
Barrick JE, Yu DS, Yoon SH, Jeong H, Oh TK, Schneider D, Lenski RE, Kim JF (2009): Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature vol. 461 pp.1243