<< error >> (our Markdown requires webpage links, not image links, see manual)

Evolutiebiologen slaan de plank compleet mis

In plaats te kijken naar huidige omstandigheden moeten evolutiebiologen terug in de tijd gaan reizen. Een holistische benadering is noodzakelijk om natuurlijke selectie beter te leren begrijpen.

Shozo Yokoyama (Emory University) kwam onlangs met een, voor evolutiebiologen, confronterende uitspraak. Om de mechanismen van de natuurlijke selectie werkelijk te leren begrijpen dienen ze zich niet te concentreren op hedendaags DNA maar dat van onze voorouders.

Trouwens niet alleen evolutiebiologen hebben last van deze foute benadering, het is een algemeen wetenschappelijk probleem, vertelt Yokoyama. Yokoyama geldt als een expert op het gebied van natuurlijke selectie, vooral voor kleurwaarneming.

Indien men het mechanisme van fenotypische plasticiteit wil gaan verklaren, kortgezegd de functie van een gen en de verandering van deze functie, moet men leren in het verleden te gaan kijken. Dit is het grote geheim. Juist het bestuderen van oude moleculen zal de wetenschap een beter begrip geven over hedendaagse genen, deze kennis kan zeer behulpzaam zijn bij de ontwikkeling van werkende medicijnen en andere onderzoeksgebieden.

Sinds jaar en dag wordt de Darwiaanse selectie bestudeerd door te kijken naar modern DNA. Yokoyama: deze werkwijze werd gekatalyseerd door de ontwikkeling van snelle en goedkope sequentiemethodes. Maar deze goedkopere weg is niet de juiste. Door alleen naar de hedendaagse volgorde van aminozuren te kijken ziet men slechts enkele stukjes van de grote puzzel.

Yokoyama is al 20 jaar druk bezig, met vissen en andere gewervelden, om de geheimen van het waarnemen van kleuren te ontfutselen.

Vijf klasses van genen in opsine (fotopigment, eiwit opgebouwd uit ongeveer 350 aminozuren) zijn nodig om verandering in lichtsterkte en kleur waar te nemen. Om meer inzicht ter krijgen ging de onderzoeker uit van een relatief eenvoudig model: oceanen. Op verschillende dieptes is de verandering in lichtsterkte en kleur heel goed bekend.

Yokoyama: als de omgeving van een vis in de oceaan verandert, bijvoorbeeld op grotere diepte of dichter bij het oppervlak, veranderen ook kleine stukjes in het gen opsine.Het zicht past zich aan en juist in de veranderingen op moleculair nivo is de onderzoeker geïnteresseerd.

Moleculair biologen zijn in staat om het DNA van een dier te isoleren en de genen van opsine te klonen. M.b.v. in vitro assays worden de waarneming van specifieke zichtbare kleuren gecreëerd. De gevoeligheid voor het waarnemen van deze kleuren kan men manipuleren door de posities van de aminozuren te veranderen. Men bestudeert dus de functie van deze moderne genen.

In 1990 identificeerde Yokoyama de 3 specifieke aminozuren welke het voor de mens mogelijk maakte om het verschil tussen rood en groen te zien. Enkele jaren later bevestigden een andere groep onderzoekers de conclusies van Yokoyama maar ontdekten dat de verandering slechts in één richting werkt. Om naast de rode kleur ook de groene waar te nemen lukte die evolutie in 3 stappen. Maar om van groen weer terug te gaan naar rood kost wel 7 stappen. Evolutiebiologen kunnen dit niet verklaren.

Juist dit vreemde effect maakte mij extra nieuwsgierig vertelt Yokoyama. Waarom zijn er niet evenveel stappen nodig om van rood naar groen en van groen naar rood te gaan? Na 10 jaar puzzelen vondt hij een voor hem begrijpelijke verklaring: de experimenten werden uitgevoerd op hedendaags DNA.

Toen de eerste zoogdieren zich ontwikkelden, zo’n 100 miljoen jaar geleden, hadden zij alleen beschikking over het rode pigment. Zo’n 30 miljoen jaar gelden dupliceerde het rode pigment zich in sommige primaten. Een van deze duplicaten werd gevoelig voor de kleur groen.

Destijds waren 3 aminozuren verantwoordelijk voor deze verandering, maar ondertussen muteerden er veel meer genen. Yokoyama: de truuk is dat men de oorspronkelijke interacties van alle aminozuren moet leren begrijpen, dit kan alleen indien men naar de oorspronkelijke moleculen kijkt. Met andere woorden, veranderingen in de omgeving veranderen het DNA compleet (epigenetica).

Met behulp van stastistische analyses toont Yokoyama aan dat men terug in de tijd moet reizen om de sequentie van voorouderlijke DNA proberen te benaderen. Dit is heel veel werk en daarnaast hebben wij nog geen duidelijk beeld van de overgangssoorten. Alleen door de veranderingen stap voor stap te gaan volgen krijgen we een idee van de fylogenetische stamboom.

In 2008 probeerde Yokoyama om de meest uitgebreide stamboom voor lichtsterkte op te stellen. Deze geldde voor dieren zoals de aal maar ook voor mensen. Aan de stam van deze evolutionaire boom plaatste Yokoyama de oude genen, deze dienden als basis om de aanpassing van het leven op de omgeving beter te begrijpen.

Om deze voorouderlijke eiwitten te syntheseren dient men van vele markten thuis te zijn. Zo dient men kennis te bezitten op de gebieden van quantumchemie, microbiologie, biofysica, genetische manipulatie en theoretische modellen.

Deze multi-dimensionele (holistische) benadering stelde Yokoyama in staat om in 2009 de haarstaartvis te identificeren als de eerste vis die omschakelde van UV naar de kleur violet. Althans tot op dit moment. Yokoyama is ook in staat om te vertellen waar de veranderingen precies plaatsvinden: aminozuur 86 in het opsine-gen.

Yokoyama is ervan overtuigd dat het opzetten van experimenten, die de oorspronkelijke genen in kaart brengen, de oplossing vormen om de evolutionaire natuurlijke selectie beter te begrijpen. Tot nu toe zijn er maar enkele studies uitgevoerd die deze werkwijze ondersteunen.

www.terradaily.com