Di dalam Eksperimen 30 Tahun Dr. Ambisius Ambisius Dr. Richard Lenski

Apa yang Diceritakan oleh 60.000 Generasi Bakteri Tentang Dunia Kita

Seni: Natalya Zahn

Seberapa jauh Anda bisa melacak silsilah keluarga Anda?

Silsilah saya menjadi kabur di sekitar buyut ke-5 saya: Rebecca Ellsworth dari New York. Ratu Elizabeth (yang tampaknya merupakan pencatat yang jauh lebih baik daripada saya) dapat melacak garis keturunannya kembali ke kakek buyutnya yang ke-32: Raja Alfred the Great of Wessex. Tetapi bahkan bangsawan Inggris pun kesulitan mengimbangi Konfusius. Keturunan filsuf Tiongkok ini telah dengan cermat melacak lebih dari 80 generasi keturunan.

Garis Konfusius memenangkan penghargaan untuk silsilah terpanjang yang terdokumentasi dalam umat manusia, tetapi memperluas persaingan ke semua bentuk kehidupan membuat mereka jatuh ke runner-up yang jauh dan jauh.

Ahli biologi evolusi Richard Lenski di Michigan State University telah menjalankan percobaan menggunakan bakteri usus sederhana, Escherichia coli sejak tahun 1988. Karena bakteri ini mampu memulai generasi baru setiap 20 menit di bawah kondisi laboratorium yang ideal, tim Lenski telah mampu memonitor dengan cermat dan melestarikan lebih dari 60.000 generasi keturunan E. coli.

Tidak ada keluarga manusia yang dapat bersaing dengan catatan silsilah bakteri ini… secara anatomis manusia modern hanya ada selama sekitar 12.000 generasi. Saya hanya melihat leluhur saya karena saya ingin tahu apakah saya turun dari seseorang yang terkenal (tidak beruntung). Laboratorium Lenski memiliki tujuan yang sepenuhnya berbeda. Mereka memahami bahwa setiap generasi memperkenalkan perubahan, dan bahwa perubahan bertahap ini adalah dasar dari bagaimana semua kehidupan berevolusi. Bagaimana perubahan ini terjadi? Seberapa cepat mereka terjadi? Lab Lenski menggunakan mikroba usus kecil ini untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan besar ini.

Richard Lenski dengan nampan termos dari eksperimen evolusi jangka panjang di labnya di Michigan State University pada 26 Mei 2016. (Foto kredit: Zachary Blount)

Para peneliti di lab terus-menerus menyebarkan dan memantau kultur bakteri. Setiap beberapa bulan (atau sekitar 500 generasi), sebagian dari sel bakteri disimpan dalam freezer bersama semua leluhur mereka sebagai bagian dari "catatan fosil beku." Tapi ini adalah fosil hidup - salah satu dari budaya ini dapat dihidupkan kembali untuk eksperimen dan pengurutan DNA.

Selama percobaan mereka, tim Lenski telah melihat beberapa perubahan menarik muncul. Dalam satu contoh ekstrem, mereka mengamati evolusi sifat baru: kemampuan untuk mencerna jenis makanan baru.

Percobaan dimulai dengan 12 populasi yang sedikit berbeda, atau strain, dari E. coli, yang semuanya awalnya berasal dari sel tunggal dan semua glukosa yang digunakan hadir dalam kaldu sebagai sumber karbon satu-satunya untuk energi. Para ilmuwan menumbuhkan strain ini dalam kaldu yang hanya mengandung sedikit glukosa, tetapi (karena alasan teknis) kebetulan memiliki banyak sitrat. Sitrat mirip dengan glukosa, tetapi tidak ada strain E. coli yang dapat memetabolisme sitrat seperti yang mereka lakukan terhadap glukosa. Dalam lingkungan glukosa rendah, mikroba ini kelaparan.

Sekitar 31.000 generasi kemudian, 11 dari 12 strain masih hanya mengandalkan glukosa untuk energi untuk mereproduksi, tetapi satu strain mengembangkan kemampuan untuk makan sitrat juga. Akibatnya, bakteri yang menggunakan sitrat ini mampu tumbuh jauh lebih baik dalam media yang kaya glukosa / kaya sitrat daripada 11 strain saudara kandungnya. Ta da! Evolusi terjadi di sana di bangku-atas, dan hanya dengan membuka pintu freezer dapat mengungkapkan kapan dan bagaimana perubahan ini terjadi. Dengan menggunakan catatan fosil beku mereka yang praktis, para peneliti menghidupkan kembali para leluhur dalam garis keturunan yang memunculkan bakteri pemakan sitrat dan menunjukkan langkah-langkah yang perlu terjadi agar sifat baru ini muncul.

Manusia telah mengalami perubahan evolusioner dalam apa yang bisa dan tidak bisa kita cerna juga. Kegigihan Lactase, kemampuan manusia dewasa untuk mencerna gula susu laktosa dalam, katakanlah, satu galon es krim jika dia suka, berevolusi cukup baru. Sebagian besar mamalia hanya dapat mencerna laktosa sebagai bayi yang sedang menyusui, tetapi beberapa populasi manusia mempertahankan kemampuan ini sepanjang hidup mereka. Kita tidak dapat menghidupkan kembali dan mengurutkan ratusan generasi manusia, jadi lebih sulit untuk menentukan spesifiknya, tetapi kegigihan laktase diperkirakan pertama kali muncul sekitar 7500 tahun yang lalu (~ 300 generasi manusia), tak lama setelah manusia menemukan cara menjinakkan ternak (angka go).

Jadi, dari mana sifat-sifat baru ini berasal? Penelitian E. coli Lenski mendukung gagasan bahwa sifat-sifat baru muncul dari kombinasi yang tepat dari perubahan genetik acak yang, meskipun sangat jarang, dapat terjadi jika diberikan waktu yang cukup. Beberapa mutasi DNA sama sekali tidak menyebabkan perubahan nyata pada suatu organisme. Mutasi lain sangat berbahaya, seperti mutasi pada gen BRCA1 manusia yang membuat beberapa orang rentan terhadap kanker payudara. Tetapi sekali dalam waktu yang sangat lama, perubahan genetik yang menguntungkan terjadi yang membuat organisme lebih bugar, lebih bahagia, lebih produktif ... setiap generasi baru memiliki kesempatan untuk mengeksplorasi peningkatan baru.

Mutasi DNA yang bertanggung jawab atas sifat-sifat baru terjadi secara acak, bahkan ketika tidak ada tekanan seleksi. Misalnya, usus Anda mengandung bakteri resisten antibiotik. Resistensi antibiotik adalah sifat yang diberikan oleh gen, yang mengalami mutasi acak sepanjang waktu. Jika Anda sehat dan tidak minum antibiotik apa pun, bakteri resisten itu tidak memiliki keunggulan dibandingkan jenis lainnya. Mereka tetap, tetapi dalam jumlah rendah relatif terhadap semua bakteri lain yang ada. Setelah Anda memulai perawatan antibiotik, mutan ini memiliki keuntungan. Jika semua orang terbunuh, mereka dapat berkembang, “menyapu” populasi, dan mengganti jenis lainnya.

Mengidentifikasi pemicu lain dan konsekuensi evolusi mikroba adalah bidang penelitian aktif yang memotong kedokteran dan biologi evolusi. Mikroba memiliki efek mendalam pada kesehatan inang mereka, tetapi mereka tidak memiliki batas yang sama dengan tuan rumah mereka. Mereka bereproduksi lebih cepat, ada dalam jumlah yang jauh lebih besar, dan bahkan bertukar gen dengan cara yang tidak bisa dilakukan manusia. Mereka juga, seperti yang ditunjukkan oleh karya Richard Lenski kepada kita, membantu kita menyelubungi otak primata kita di sekitar tugas yang tampaknya mustahil untuk memahami bagaimana evolusi sebenarnya bekerja.

Darwin sendiri, dengan pita pengukur dan koleksi paruh burung, benar-benar hanya dapat menunjukkan bahwa evolusi terjadi. Memahami bagaimana itu terjadi, dan apa yang mungkin terjadi pada kita selanjutnya, adalah tugas generasi ini - dengan bantuan beberapa mikroba. Mungkin sulit bagi satu orang untuk menghargai bahwa evolusi adalah proses yang berkelanjutan, tetapi ingatlah bahwa satu tahun dalam hidup Anda adalah kesempatan yang bernilai banyak generasi bagi mikrobiom Anda, dan Anda, untuk berevolusi.

I Contain Multitudes adalah seri video multi-bagian yang didedikasikan untuk menjelajahi dunia mikrobioma yang indah dan tersembunyi.