Historie vědy: Experiment ukazuje, že mutace vznikají spontánně, nosný pilíř darwinovské evoluce – 20. listopadu 1943
RYCHLÉ FAKTA
Milník: Experiment ukazuje, že mutace vznikají spontánně
Datum: 20. listopadu 1943
Kde: Indiana University v Bloomingtonu a Vanderbilt University v Nashvillu, Tennessee
SZO: Max Delbrück a Salvador Luria
V roce 1943 publikoval fyzik a biolog článek, který potvrdil jeden z ústředních pilířů Darwinovy evoluční teorie.
Práce Maxe Delbrücka z Vanderbilt University a Salvadora Lurii z Indiana University popsala jednoduchý experiment nazvaný „test fluktuace“, který ukázal, že mutace vznikly spontánně v bakteriích, spíše než aby se objevily v reakci na „výběrové tlaky“.
Tato otázka byla diskutována od doby, kdy Darwin publikoval svou klasiku „O původu druhů“ v roce 1859. Darwin navrhl že přirozené variace se vyskytují náhodně u všech tvorů a tlaky prostředí pak některé z těchto variací zlepšují nebo zhoršují pro určité organismy v jejich „boji o existenci“. Postupem času se tyto vlastnosti stávají běžnějšími, protože nejschopnější organismy přežívají a množí se. Naproti tomu francouzský přírodovědec Jean-Baptiste Lamarck navrhl v počátkem 19. století tato změna by mohla být vyvolána tlaky prostředí.
Když Delbrück a Luria dělali své experimenty, Darwinova teorie byla považována za správnou pro rostliny a zvířata, ale někteří vědci věřili, že interakce mezi bakteriofágy – viry, které napadají bakterie – a jejich bakteriálními hostiteli by mohly nějakým způsobem vyvolat bakteriální rezistenci vůči fágům.
Delbrück přišel do pole náhodou. Nespokojený fyzik emigroval do USA z Německa kvůli nepřátelství nacistického režimu a začal se zajímat o myšlenku modelování genetiky pomocí myšlenek odvozených od kvantová mechanika a atomová teorie.
Během výzkumu v Kalifornii se setkal s výzkumníkem, který studoval nově charakterizovanou bakterii tzv Escherichia coli, které byly kultivovány z odpadních vod v Los Angeles. Výzkumník identifikoval fága, který se živil E. coli. Delbrück byl unesen tím, jak snadné bylo identifikovat a spočítat jednotlivé fágové částice pod mikroskopem.
„Mohli byste je položit na talíř s trávníkem s bakteriemi a další ráno by každá virová částice sežrala makroskopickou díru o velikosti 1 mm (0,04 palce) v trávníku,“ vyprávěl Delbrück. v orální historii pořízené v 70. letech 20. století. „Tohle mi připadalo mimo mé nejdivočejší sny o provádění jednoduchých experimentů na něčem jako jsou atomy v biologii.“
V prosinci 1940 se Delbrück v Cold Spring Harbor Laboratory v New Yorku setkal s Luriou, italsko-židovským lékařem. Stejně jako Delbrück i Luria uprchl před nacisty a stejně jako Delbrück se svou vybranou specialitou nudil.
Luria viděl některé rané práce o fágech a také se zamiloval do myšlenky používat fágy k vyšetřování geny, jako by byly sbírkou atomů. V té době lidé chápali myšlenku genů, ale málo rozuměli tomu, z čeho se skládají.
Asi devět měsíců poté, co se setkali, se duo rozhodlo otestovat, zda mohou fágy vyvolat rezistenci E. coli. Uvízli v tom, jak postupovat, dokud si Luria nepopovídala s kolegou, který hrál automaty. Uvědomil si, že statistiky lze použít k rozlišení mezi náhodnými mutacemi a mutacemi vyvolanými fágy – jinými slovy, k určení směru příčiny a následku.
Naplnili hromadu zkumavek E. coli a poté vystavili bakterie fágům a sériově je kultivovali na miskách. Pokud by byly získány mutace, uvažovali, všechny destičky by se vyvinuly E. coli s rezistentními mutacemi zhruba na stejné proporce a pouze po byl zaveden fág k talířům. Naproti tomu, pokud by mutace vznikly náhodně, existovaly by větší rozdíly v počtu rezistentních bakterií mezi kulturami; některé by byly „jackpotové talíře“ s mnoha odolnějšími E. coli protože se u nich náhodou vyvinuly geny rezistence na počátku růstu kultury, na rozdíl od pozdějšího.
Toto se stalo známým jako „test fluktuace“ a duo zveřejnilo svá zjištění, která to potvrzují mutace vznikají u bakterií náhodně v roce 1943.
Téhož roku začali spolupracovat s Alfredem Hersheyem, mikrobiálním chemikem z Washingtonské univerzity v St. Louis. Tato trojice by dále ukázala, že fágy obsahovaly více než jeden gen a že viry si mohly navzájem vyměňovat genetickou informaci v rámci stejné bakterie, známé jako genetická rekombinace. Později Hershey a spolupracovnice Martha Chaseová ukázali, že DNA byla ta pravá nositelem této genetické informace. Hershey, Luria a Delbrück by si to vydělali 1969 Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu za jejich přínos v oblasti genetiky.
Je zajímavé, že zatímco jejich práce upevnila darwinovskou hypotézu, že přírodní výběr působí na náhodné variace, některé novější výzkumy naznačují, že ne všechny mutace jsou zcela náhodné. Míra mutací v „esenciálních genech“ se vyskytuje v nižší míře než u náhodnějších genů, alespoň u některých rostlin. A nedávný výzkum naznačuje, že kdyby si tým ke studiu vybral jinou bakterii a fágový systém – např. použil bakteriální imunitní systém CRISPR k boji proti fágům — statistické výsledky by nebyly tak jednoznačné.
