Darwin leerde ons dat enkel de fitste individuen overleven. Toch kunnen genetische defecten die een organisme aanvankelijk verzwakken op lange termijn de overlevingskansen net vergroten. Dat ontdekte Jana Helsen op basis van experimenten met gisten.
Onderaan dit artikel kan je stemmen voor je favoriete laureaat.
Je zou denken dat evolutie een verhaal is van continue verbetering. Dat klopt niet. ‘Ondanks duizenden jaren evolutie dragen organismen nog heel wat genetische defecten bij zich’, zegt Jana Helsen. ‘Dat is opmerkelijk, en we weten eigenlijk niet waarom dat zo is. In mijn doctoraatsonderzoek wilde ik achterhalen welke rol die ‘kapotte’ genen spelen.’
‘De gisten met een ‘handicap’ groeiden na enkele weken sneller. Ze hadden zich beter aangepast en plantten zich ook sneller voort’ Jana Helsen
Helsen bootste daarvoor evolutie na in het lab. ‘De ontwikkeling van mensen of proefdieren kun je niet ‘live’ bestuderen. Dat zou te veel tijd kosten. Daarom bekijken wetenschappers het verloop van evolutie vooral bij micro-organismen, in mijn geval bij bakkersgist. Een gistcel deelt ongeveer elk anderhalf uur. Om de 90 minuten wordt er dus een nieuwe generatie geboren. Dat betekent dat ik in enkele weken tijd honderden opeenvolgende generaties kon bestuderen.’
Van dal naar top
Om het effect van genetische defecten te bestuderen vergeleek Helsen de evolutie van ‘gezonde’ gisten met die van gisten waarbij ze telkens een gen uitschakelde. ‘De gisten die een defect droegen, deden het aanvankelijk veel slechter. Maar tot onze verbazing was dat na een aantal generaties niet meer het geval. De gisten die begonnen met een ‘handicap’ groeiden na enkele weken zelfs sneller. Ze hadden zich beter aangepast en plantten zich ook sneller voort.’
VIDEO. Jana Helsen over haar onderzoek
Minstens even bijzonder: op basis van het geïntroduceerde defect kon Helsen de evolutie van de gist voorspellen. ‘Het defecte gen bepaalt welke mutaties vele generaties later zullen optreden. We weten met andere woorden aan de hand van het defect langs welke weg de gist zal evolueren. Dat inzicht is belangrijk voor andere evolutionaire processen, zoals de ontwikkeling van antibioticaresistentie en kanker.’
De bevindingen tonen aan dat de defecten die een organisme aanvankelijk verzwakken ervoor kunnen zorgen dat het organisme op termijn net sterker wordt. Helsen vergelijkt het met een landschap met heuvels en bergen. ‘Tijdens zijn evolutie beklimt elk organisme een berg. Onder druk van de evolutionaire principes kan het enkel hoger klimmen, naar de top van de lokale berg. Nu kan het zijn dat zich in de buurt een andere interessante bergtop bevindt, maar met zijn huidige genetica kan het organisme die niet bereiken. Tenzij het geholpen wordt door een genetisch defect.’
‘Zo’n defect kan het organisme in het dal doen belanden. In eerste instantie is dat een tegenvaller, want het defect kan het organisme zodanig verzwakken dat de soort op den duur uitsterft. Maar mijn onderzoek toont aan dat een terugkeer naar het dal op termijn ook voordelig kan zijn. Als het organisme zich herpakt, kan het alle richtingen uit evolueren en dus ook andere bergtoppen in de buurt beklimmen. Uiteindelijk kan het zelfs terechtkomen op een top die veel hoger is dan de veel lagere heuvel waarop het aanvankelijk vastzat.’
Gistbibliotheek
Helsen gebruikte gisten uit een indrukwekkende databank van de KU Leuven en het VIB. ‘Een gist beschikt over ongeveer zesduizend genen. De gistbibliotheek bevat zesduizend gisten waarbij telkens één gen is uitgeschakeld. Door alle gisten te laten groeien in een specifieke omstandigheid, kun je dus achterhalen welke rol elk gen in die omstandigheid speelt.’
Onderzoekers stellen de gisten bloot aan een stresssituatie: een extreem zoute omgeving, schadelijke chemische stoffen of, in Helsens geval, oxidatieve stress. Vervolgens observeren ze hoe elke gist groeit en evolueert. ‘Zo kunnen we achterhalen welke genen voor de gist noodzakelijk zijn om zich tegen die stress te wapenen.’
Helsen vergeleek de evolutie van gisten zonder genetisch defect met die van een tweehonderdtal gisten met telkens één groot defect. Ze ontdekte zo dat bepaalde exemplaren dankzij hun defect na enkele generaties beter gewapend waren tegen de stresssituatie. ‘Die defecten vormen dus een noodzakelijk onderdeel van het evolutionaire proces.’
VIDEO. Jana Helsen leidt je rond in haar lab.
Sinds begin dit jaar is Helsen als postdoctoraal onderzoeker aan de slag. ‘Ik wil bestuderen wat er gebeurt als je een compleet nieuw stuk DNA of zelfs een extra chromosoom in een cel brengt. We zien namelijk iets bijzonders in de genetica van verschillende gistsoorten: de ene soort kan zestien chromosomen bezitten, terwijl de andere er misschien maar drie heeft. Toch zijn hun genomen ongeveer even groot. Ik wil achterhalen welke invloed de hoeveelheid DNA heeft op de manier waarop een cel deelt en met stress omgaat. En natuurlijk wat we daaruit kunnen leren over evolutie.’
Jana Helsen
Jana Helsen (1993) studeerde in 2016 af als bio-ingenieur in de cel- en gentechnologie aan de KU Leuven. Eerder dit jaar behaalde ze met een FWO-beurs haar doctoraat aan de KU Leuven en het VIB voor haar fundamenteel onderzoek naar de invloed van genverlies op evolutionaire processen. Momenteel werkt ze als postdoctoraal onderzoeker aan zowel het European Molecular Biology Laboratory in Duitsland als Stanford University in de VS, waar ze nagaat hoe processen zoals de celdeling worden beïnvloed door de hoeveelheid DNA in een cel.
