Wat in 2018 begon als een enkele cel, onzichtbaar voor het menselijk oog, is nu uitgegroeid tot een meercellig beest ter grootte van een vlo.
Een lopende studie van een biergist (saccharomyces cerevisiae) gemuteerd om gehecht te blijven aan bosjes als “sneeuwvlok” gist laat zien wat er kan gebeuren met kleine eencellige organismen na duizenden generaties van zorgvuldige selectie.
Toen onderzoekers van het Georgia Institute of Technology generatie na generatie de grootste en snelst groeiende gistkolonies uit vijf populaties selecteerden, kweekten ze een organisme met meer dan een half miljoen klonale cellen – 20.000 keer groter dan zijn voorouder.
De bevindingen zijn een ongeëvenaard voorbeeld van aanhoudende meercellige evolutie.
“Door onze vinger op de evolutieschaal van een eencellig organisme te leggen, kunnen we begrijpen hoe ze evolueerden tot steeds complexere en completere meercellige organismen, en we kunnen dat proces gaandeweg bestuderen”, legt evolutiebioloog William Ratcliff van Georgia Tech uit. . .
Tegenwoordig toont bewijs aan dat het leven op aarde ongeveer 3,5 miljard jaar geleden begon met eencellige organismen.
Er is echter weinig bekend over hoe geïsoleerde cellen die er allemaal hetzelfde uitzagen en zich hetzelfde gedroegen, zo’n twee tot drie miljard jaar geleden evolueerden tot meercellige levensvormen met gespecialiseerde weefsels die in staat waren tot gecoördineerde activiteit.
Experimenten met sneeuwvlokgist helpen experts nu om dat verhaal opnieuw te vertellen.
De studie heet het Multicellularity Long-Term Evolution Experiment (MuLTEE) en de onderzoekers hopen het tientallen jaren te kunnen uitvoeren. De eerste significante bevindingen kwamen na 3.000 generaties evolutie.
Volgens de onderzoekers zijn individuele gistpopulaties al getransformeerd van substanties “zwakker dan gelatine” naar substanties “met de sterkte en hardheid van hout”.
“We ontdekten dat er een compleet nieuw natuurlijk mechanisme was waardoor groepen tot deze zeer, zeer grote omvang konden groeien”, legt evolutiebioloog Ozan Bozdag uit.
Ten eerste ontwikkelden gistcellen in experimenten langere takken die de algehele dichtheid van het organisme verminderden.
De takken verstrengelden zich vervolgens met elkaar en vormden een complex dat lijkt op de consistentie van moderne gels.
Uiteindelijk maakte deze nieuwe structuur het organisme 10.000 keer sterker dan zijn eencellige voorouder. Niet meer zo’n sneeuwvlokje.
“De gisttakken waren verstrengeld”, legt Bozdag uit, “de cellen van het cluster evolueerden wijnstokachtig gedrag, wikkelden zich om elkaar heen en versterkten de hele structuur.”
Een andere belangrijke bevinding van de experimenten betrof de rol van zuurstof bij het stellen van grenzen aan evolutionaire vooruitgang.
In de jeugd van de aarde was er een tekort aan zuurstof. Pas een paar miljard jaar geleden blies een speciaal type bacterie leven in de atmosfeer, en er wordt aangenomen dat meercellige levensvormen echt van de grond zijn gekomen.
De evolutie van sneeuwvlokgist in het laboratorium ondersteunt het idee dat zuurstof een belangrijke beperking was voor de eerste meercellige levensvormen op aarde. In experimenten konden alleen gistpopulaties die niet afhankelijk waren van zuurstof voor energieproductie zo groot worden.
Gistclusters die zuurstof nodig hadden, werden daarentegen gedwongen om de voorraad over al hun cellen te verdelen, wat extra kosten met zich meebracht om te groeien.
Deze bevindingen, zeggen de wetenschappers, benadrukken “de cruciale rol van zuurstofniveaus in de evolutie van meercellige grootte.”
“Ik ben erg opgewonden om een modelsysteem te hebben waarmee we het vroege meercellige leven gedurende duizenden generaties kunnen ontwikkelen, gebruikmakend van de enorme kracht van de moderne wetenschap”, zegt Ratcliff.
“In principe kunnen we alles begrijpen wat er gaande is, van evolutionaire celbiologie tot biofysische eigenschappen die direct onder selectie staan.”
Het wordt fascinerend om te zien wat er de komende jaren met deze gist gebeurt.
De studie is gepubliceerd in Natuur.
