Onderzoekers zien nieuw gen ontstaan in het lab
Hoe ontstaan nieuwe genen? Al meer dan 100 jaar denken onderzoekers dat een nieuw gen soms ontstaat nadat een cel per ongeluk een kopie van één van zijn genen maakt. Volgens deze theorie kan de ‘reservekopie’ vervolgens vrijuit evolueren en op die manier een nieuwe functie verwerven, terwijl het oorspronkelijke gen ervoor zorgt dat de oude functie behouden blijft. Er was tot nu toe nog geen direct bewijs gevonden voor deze theorie. Maar nu hebben onderzoekers van de TU Delft het evolutionaire mechanisme voor het eerst in werking gezien, in gistcellen.
Het Delftse onderzoek richtte zich op een gistsoort genaamd Saccharomyces pastorianus. Deze gist wordt door bierbrouwers van over de hele wereld gebruikt voor de productie van pils. Het bijzondere aan Saccharomyces pastorianus is dat hij de complexe suiker maltotriose kan ‘eten’. Een in 2011 ontdekte voorvader van de gistsoort bleek nog niet met deze complexe suikersoort overweg te kunnen. Op enig moment moet de evolutie Saccharomyces pastorianus dus een handje hebben geholpen om maltotriose wél te kunnen metaboliseren, en die verandering heeft ervoor gezorgd dat we tegenwoordig pils kunnen brouwen.
Nieuwe functie
Genen zijn verantwoordelijk voor alles wat een cel kan. En voor nieuwe functies zijn nieuwe genen nodig. Maar hoe ontstaat zo’n nieuw gen? Eén van de meest bekende manieren waarop dit gebeurt berust op een mechanisme dat genduplicatie heet. Hierbij maakt een cel per ongeluk een kopie van een bepaald gen. Omdat dit gen vervolgens twee keer in het DNA geschreven staat, kan één van beide kopieën vrijuit veranderen, zonder dat de functie van het oorspronkelijke gen verloren gaat. Als er maar genoeg mutaties optreden, kan het gebeuren dat zo’n veranderend gen vervolgens een compleet nieuwe functie ontwikkelt. Is die nieuwe functie voordelig voor het organisme? Dan is de kans groot dat het gemuteerde gen door natuurlijke selectie blijft bestaan.
Dit evolutionaire mechanisme is uitgebreid beschreven in de literatuur. Maar als je inzoomt op het DNA van een organisme, kun je er alleen de effecten van zien. “Hoewel we door terug te redeneren vrij zeker weten dat dit mechanisme inderdaad zorgt voor nieuwe genen, was er nog nooit direct bewijs voor gevonden”, zegt onderzoeker Arthur Gorter de Vries.
UV-licht
De onderzoekers gebruikten voor dit experiment gistcellen van de in 2011 ontdekte soort die het grote suikermolecuul maltotriose niet kan metaboliseren. Ze bestraalden de miljoenen gistcellen met UV-licht, waardoor hun DNA beschadigde. Hierdoor moesten de cellen veel meer erfelijk materiaal repareren dan normaal, wat de kans op willekeurige mutaties vergrootte. Als voedsel gaven de onderzoekers de micro-organismen wort, het suikerrijke goedje waar brouwers bier van maken. Door de gist slechts beperkte hoeveelheden wort te geven, dwongen de onderzoekers de gistcellen om te strijden om het beetje voedsel dat voorhanden was.
Omdat de gistcellen de eenvoudige suikers direct opaten en de maltotriose zich ophoopte, werd het voor de gistcellen steeds voordeliger om de mogelijkheid te ontwikkelen om ook dit grote en complexe suikermolecuul te eten. En dat was precies wat er gebeurde. “Op een gegeven moment zagen we dat de hoeveelheid maltotriose afnam”, zegt onderzoeker Nick Brouwers. In elk geval één gistcel had dus een manier gevonden om maltotriose op te nemen. En omdat de nazaten van die cel plotseling een enorme hoeveelheid voedsel ter beschikking hadden, verdrongen ze al snel de andere gistcellen.
Hybride gen
De onderzoekers isoleerden een aantal van de gemuteerde cellen en analyseerden wat er was veranderd in hun DNA. “Normaal gesproken zien we dat er een aantal kleine mutaties hebben plaatsgevonden”, zegt Gorter de Vries. “Maar in dit geval was er een nieuw gen geëvolueerd dat grote stukken DNA bevatte van drie andere genen.” Deze andere genen behoren tot de familie ‘transportgenen’, die verantwoordelijk zijn voor het transport van suikers van buiten de cel naar binnen. Het hybride gen maakte net als de andere transportergenen een eiwit. Dat eiwit vormt een tunnel in het celmembraan waar de suikermoleculen doorheen worden getransporteerd, de cel in.
Uit de DNA-analyse kwam ook naar voren dat het nieuwe gen was ontstaan door mutaties in gedupliceerde transportergenen. Dit experiment ondersteunt daarom de theorie dat nieuwe genen kunnen evolueren nadat de cel per ongeluk een kopie van een bestaand gen maakt. “Wat ons wel verbaasde was de snelheid waarmee het hybride gen ontstond”, aldus Gorter de Vries.
De geëvolueerde gistcellen zijn inmiddels getest en er kan inderdaad pils mee worden gebrouwen. Het gebruik van deze gist levert een biertje op dat de exotische smaken van wilde gisten combineert met de frisse smaak van pils. Brouwers: “Het voordeel van onze in het lab geëvolueerde gist is dat er geen genetische modificatie aan te pas is gekomen en de gist dus zonder problemen kan worden gebruikt door de industrie.”
***
Nick Brouwers, Arthur R. Gorter de Vries, Marcel van den Broek,Susan M. Weening, Tom D. Elink Schuurman, Niels G. A. Kuijpers, Jack T. Pronk, Jean-Marc G. Daran, 'In vivo recombination of Saccharomyces eubayanus maltose-transporter genes yields a chimeric transporter that enables maltotriose fermentation', PLOS Genetics, April 4 2019
DOI: 10.1371/journal.pgen.1007853
Arthur Gorter de Vries
A.R.gorterdevries@tudelft.nl
06 – 37 22 62 04
(Credit headerbeeld: Getty Images)