Levende organismen ontwikkelen voortdurend nieuwe manieren om zich te verdedigen tegen virussen. En deze virussen passen zich op hun beurt voortdurend aan hun slachtoffers aan. Deze ‘evolutionaire wapenwedloop’ leidt al binnen drie weken tot duidelijke nieuwe groepen, ecologische netwerken en bekende evolutionaire patronen. Dat schreven Amerikaanse microbiologen vorige week in Science . Ze bestudeerden de wapenwedloop tussen bacteriën en virussen in afgesloten reageerbuisjes.
Charles Darwin presenteerde in 1859 zijn theorie over ‘evolutie door natuurlijke selectie’. Kortweg zegt die theorie dat organismen die beter zijn aangepast aan hun omgeving, een grotere kans hebben te overleven en zich voort te planten. Als die aanpassing een genetische oorsprong heeft, dan geven zij hun ‘evolutionaire voordeel’ aan hun nakomelingen door, die daardoor ook een relatief grotere kans hebben zich voort te planten. En zo raken minder aangepaste individuen in de verdrukking, en ontstaat anderzijds adaptatie. Dit proces, dat uiteindelijk kan leiden tot soortvorming, is langzaam en geleidelijk, zo vermoedde Darwin: er kunnen miljoenen jaren overheen gaan.
Dat evolutie veel sneller kan gaan, weten we al wel langer. Zo zingen merels in de stad hoger dan hun soortgenoten op het platteland: een aanpassing aan de geluiden van de stad. Deze aanpassing is erfelijk en heeft zich binnen een eeuw voltrokken, zo schreef de Leidse bioloog Erwin Ripmeester in 2009 in zijn proefschrift.
Maar dat zo’n aanpassing ook binnen enkele weken al kan plaatsvinden, en dan nog wel in een piepklein, simpel, afgesloten ecosysteem, is nieuw, aldus de onderzoekers in Science. Zij lieten E. coli-bacteriën groeien in reageerbuisjes met daarin een specifieke bacteriofaag. Bacteriofagen, kortweg fagen, zijn specialistische virussen die elk hun eigen bacteriën infecteren. Als ‘regulator’ van bacteriën spelen ze een grote rol in alle ecosystemen, van onze darmen tot de wereldzeeën. Naar schatting wordt elke dag tot wel 40 procent van alle bacteriën in zee door fagen gedood.
De bacteriofaag die de Amerikanen onderzochten, genaamd faag21, is voor zijn voortplanting afhankelijk van de E. coli-bacterie. Hij dringt de cel binnen en gebruikt daarbij specifieke receptoren op de celwand van de bacterie als aanhaakpunt. Bij een bacterie waarbij zo’n receptor een klein beetje is veranderd door een toevallige genetische mutatie, lukt dat binnendringen minder goed. Zo’n bacterie is evolutionair in het voordeel: hij heeft meer kans om zich te delen en zo die verandering door te geven aan de volgende generatie.
Voor het virus geldt hetzelfde: individuen die door toeval nét iets andere haakjes aan hun ‘landingsgestel’ hebben, passen daardoor wellicht net iets beter op de receptor van de bacterie, en kunnen daardoor makkelijker binnendringen. Deze wapenwedloop vindt altijd plaats, in alle groepen bacteriën en fagen, schrijven de Amerikanen, en daarbij zijn na verloop van tijd specifieke evolutionaire patronen te onderscheiden. Er ontstaan bijvoorbeeld aparte groepen, of modules, van bacteriën en virussen die samen zijn geëvolueerd en zijn gaan verschillen van andere groepen. En je ziet afwisselend specialisatie en dan weer generalisatie.
Nieuwe oplossingen
Wetenschappers zien die evolutionaire patronen overal op aarde, maar vaak op grote ruimtelijke schalen (bijvoorbeeld in verschillende gebieden) en grote tijdsschalen (vele jaren). De Amerikanen zagen ze in hun reageerbuisjes al binnen drie weken, zo schrijven ze in Science. Zo ontwikkelde E. coli ten minste twee nieuwe receptoren, en vond faag21 daarvoor minstens twee nieuwe oplossingen.
Elke dag isoleerden de onderzoekers bacteriën en virussen om verdere proefjes mee te doen. Fagen waren op dag 21 niet meer in staat bacteriën te infecteren waarvan ze zeven dagen gescheiden hadden geleefd, schrijven de Amerikanen. Dat laat zien dat er afzonderlijke modules waren ontstaan – de basis voor soortvorming. Ook de andere evolutionaire processen (zoals specialisatie versus generalisatie) voldeden precies aan bekende ecologische modellen. „Dit laat prachtig zien hoe diversiteit op zichzelf ook weer nieuwe diversiteit voortbrengt”, concluderen de Amerikanen.
