Je leest:

Wandelen door de evolutie

Wandelen door de evolutie

Auteur: | 26 juni 2007

Geen evolutie zonder variatie in de functionele en uiterlijke eigenschappen van organismen, en geen variatie in deze eigenschappen zonder spontane veranderingen in erfelijk materiaal; daarover zijn biologen het wel eens. Maar hoe spontane veranderingen in erfelijk materiaal precies leiden tot nieuwe functionele en uiterlijke eigenschappen, daarover is nog weinig bekend. Leids evolutie- en microbioloog Bertus Beaumont, winnaar van een Veni-subsidie, gaat hier verandering in proberen te brengen.

Evolutietheorie

Binnen de biologie wordt onderscheid gemaakt tussen de genetische uitrusting van organismen (het genotype) en de functionele en uiterlijke eigenschappen (het fenotype). Het genotype is het ‘recept’ voor de vorming van het fenotype. ‘De evolutietheorie stelt dat de fenotypische eigenschappen van organismen altijd variëren,’ legt Beamont uit. ‘De natuur selecteert uit alle varianten de individuen die door een gunstige eigenschap de meeste nakomelingen weten te produceren ( natuurlijke selectie). Deze nakomelingen erven de gunstige eigenschap en variëren zelf ook weer. Op den duur leiden variatie en natuurlijke selectie zo tot evolutionaire verandering.’

Veni-winnaar Bertus Beaumont onderzoekt de rol van spontane genetische veranderingen in het verloop van de evolutie. Bron: Universiteit Leiden.

Black box

De genetische variatie waar het allemaal mee begint, is het gevolg van spontane veranderingen in genen. Die ‘foutjes’, ook wel _mutaties_genoemd, treden op bij het kopiëren van genetisch materiaal tijdens een celdeling. Waar de mutatie optreedt, is afhankelijk van het toeval. Op wat voor manieren kunnen organismen veranderen als gevolg van dergelijke genetische mutaties? Beaumont: ‘Dát fenotypes veranderen door mutaties is al langer bekend, maar er is nog weinig onderzocht wélke veranderingen mogelijk zijn. Er is sprake van een echte black box. Met mijn onderzoek wil ik die black box openen, om uiteindelijk meer te weten te komen over de evolutie van nieuwe eigenschappen.’

Genotype-fenotype kaart

Beaumont visualiseert de relatie tussen genotype en fenotype als een driedimensionale ruimte met twee parallelle vlakken (de genotype-fenotype kaart). Op het ene vlak worden alle mogelijke genotypes afgebeeld als punten (de genotype-ruimte); op het andere vlak worden alle mogelijke fenotypes afgebeeld (de fenotype-ruimte). Door punten van de twee vlakken met elkaar te verbinden, kan weergegeven worden welk fenotype correspondeert met een bepaald genotype.

De genotype-fenotype kaart geeft weer welke functionele en uiterlijke eigenschappen corresponderen met een bepaald genetisch profiel. Meerdere genotypes kunnen tot hetzelfde fenotype leiden. Bron: Universiteit Leiden.

Neutrale netwerken

Kenmerkend voor de genotype-fenotype kaart is dat er geen één-op-één relatie bestaat tussen genotype en fenotype. Beaumont legt uit: ‘Meerdere genotypes kunnen tot hetzelfde fenotype leiden. Spontane verandering in het genetische materiaal van een organisme resulteert dus niet altijd in andere eigenschappen.’ Verschillende genotypes die leiden tot hetzelfde fenotype vormen samen zogenoemde neutrale netwerken in de genotype-ruimte. Evolutiebiologen denken dat deze neutrale netwerken een belangrijke rol spelen in het verloop van de evolutie. In zijn onderzoek gaat Beaumont mutaties aanbrengen in genen, om te kijken of het fenotype verandert. ‘Ik maak als het ware een wandeling langs verschillende genotypes in de genotype-ruimte. Op die manier kan ik bepalen hoe de neutrale netwerken ten opzichte van elkaar liggen in de genotype-ruimte. Simpeler gezegd: hoeveel mutaties kun je aanbrengen voordat de eigenschappen van het organisme veranderen?’

Evolutionair plausibel

Wat is het belang van de genotype-fenotype kaart voor de evolutietheorie? ‘De structuur van deze kaart is van invloed op wat er evolutionair gezien mogelijk is binnen een bepaalde tijdspanne,’ vertelt Beaumont. Hij licht dit toe aan de hand van een voorbeeld: ‘De evolutionaire verklaring voor het ontstaan van witte ijsberen is gebaseerd op variatie in vachtkleur bij bruine beren. Natuurlijke selectie selecteert steeds lichtere varianten, omdat deze door hun camouflerende vachtkleur in het voordeel zijn bij het jagen. Maar hoe waarschijnlijk is deze evolutionaire ontwikkeling? De kans dat er door spontane genetische veranderingen witte beren ontstaan, hangt af van de afstand tussen het ’bruine’ genotype en het ‘witte’ genotype in de genotype-ruimte; hoe kleiner die afstand, hoe groter de kans dat er een witte beer ontstaat. De structuur van de genotype-fenotype kaart dicteert dus wat evolutionair plausibel is.’

De ene evolutionaire verandering is waarschijnlijker dan de andere. Bron: Universiteit Leiden.

Modelsystemen

Beaumont onderzoekt de structuur van de genotype-fenotype kaart met behulp van bacteriën als modelsystemen. ‘Kleine evolutie-experimentjes,’ zoals de Veni-winnaar ze noemt. ‘Eerst verken ik de genotype-ruimte met behulp van kunstmatig gemaakte genotypes. Vervolgens laat ik deze genotypes evolueren in een laboratoriumomgeving die ik zelf onder controle heb. Door te meten welke genetische en fenotypische veranderingen hierbij optreden, krijg ik inzicht in de invloed van de structuur van de genotype-fenotype kaart op de koers van de evolutie.’

Synthetische biologie

Die kennis zou benut kunnen worden in de synthetische biologie, de tak van de biologie die zich bezighoudt met het bouwen van kunstmatige (delen van) organismen. Zo zouden er bijvoorbeeld bacteriën gemaakt kunnen worden die afvalstoffen opruimen. Beaumont: ‘Het is de kunst om het genotype van de bacteriën zo in te stellen dat ze het gewenste fenotype niet direct weer kwijtraken door evolutionaire processen. Je moet het genotype dus zo kiezen dat een mutatie niet direct tot een ander fenotype leidt. Hier bewijst kennis van de genotype-fenotype kaart zijn praktische nut.’

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 juni 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.