Het evolutionaire mechanisme werd waargenomen in gistcellen waar bier van wordt gebrouwen.

Hoe ontstaan nieuw genen? Het is een vraag die menig onderzoeker bezighoudt. Al meer dan honderd jaar denken wetenschappers dat een nieuw gen soms ontstaat nadat een cel per ongeluk een kopie van één van zijn genen maakt. Echter was hier nog nooit direct bewijs voor gevonden. Tot nu.

Meer over genduplicatie
Bij genduplicatie maakt een cel per ongeluk een kopie van een bepaald gen aan. 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. Treden er genoeg mutaties op, dan kan het zijn dat zo’n veranderd gen vervolgens een compleet nieuwe functie ontwikkelt. Echter is het lastig om deze ontstaanswijze van nieuwe genen aan te tonen, omdat als je inzoomt op het DNA, je alleen de effecten ervan kan zien.

Saccharomyces pastorianus
In het onderzoek bestudeerden de Delftse onderzoekers de gistsoort 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 als het ware kan ‘eten’. Een in 2011 ontdekte voorvader van Saccharomyces pastorianus bleek dit echter nog niet te kunnen. Ergens in de evolutionaire geschiedenis van de gietsoort moet er dus een verandering zijn opgetreden waardoor Saccharomyces pastorianus wel maltotriose kon opnemen. Maar hoe?


Experiment
In het experiment gebruikten de onderzoekers de gistcellen van de voorvader van Saccharomyces pastorianus, die het suikermolecuul maltotriose niet kan metaboliseren. Vervolgens bestraalden ze de gistcellen met UV-licht, waardoor het DNA beschadigd raakte. 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; een suikerrijk en waterige oplossing waar brouwers bier van maken. Door dit in beperkte mate aan te bieden, dwongen de onderzoekers de gistcellen te strijden om het kleine beetje voedsel dat voorhanden was.

Maltotriose
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. Tenminste één gistcel had 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.

De onderzoekers namen een aantal van deze gemuteerde cellen onder de loep. “Normaal gesproken zien we dat er een aantal kleine mutaties hebben plaatsgevonden,” legt onderzoeker Gorter de Vries uit. “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. De onderzoekers ontdekten daarnaast dat het nieuwe gen was ontstaan door mutaties in gedupliceerde transportergenen. Het experiment bevestigt 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,” zegt De Vries. De geëvolueerde gistcellen zijn inmiddels getest. En er kan inderdaad pils mee worden gebrouwen.