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實驗室好朋友:大腸桿菌生日快樂!

演化造就了地球上千千萬萬種不同的生物,但是想要研究演化的過程其實是有很大的困難的。演化需要一代一代累積生物的變化,光是想想你需要多少時間來觀察才能看到變化,再想想你還有幾年可以活,就會發現這是個解決不了的問題。

source:wikimedia

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1988 年的 2 月 24 日,美國密西根州立大學的 Richard Lenski 教授開始了一項改變歷史的實驗。他開始在實驗室裡養大腸桿菌,讓它們一代一代繁衍下去。

從那天起,研究人員每天選出一些幸運的細菌,把它們放進新的培養液裡繁衍後代,隔天再從長滿細菌的培養液選出一些細菌子孫,再放進新的一瓶培養液裡繼續繁衍,就這樣一天一天延續族群下去。

這樣的實驗一連做了快三十年的時間,每一天這些細菌大約可以複製 7 次,養到現在的細菌,已經是當年種源的好幾萬代後的子孫,2014 年 4 月時已經進入第 60000 代了呢。這是個驚人的成就,因為人類從來沒有機會可以從旁觀察一種生物的演化過程這麼多代,而且更棒的是,這個實驗還可以繼續做下去!

不過如果只是有了某人幾萬代後的子孫也沒什麼稀奇的,我們其實也都是千萬年前某個真核生物的後代,少了當年的祖先來比較,誰知道演化過程裡發生了什麼改變。而這就是用細菌當材料最美妙的地方了:你可以讓祖先復活。細菌可以被冰進冰箱裡保存,等你哪天需要用到它們時可以再從低溫裡叫醒來做實驗。

研究人員每 500 代(75天)會把當時的細菌族群凍進冰箱保存。因為這項優點,Lenski 教授可以拿某一代的子孫出來,跟它們跟祖先放在一起較量較量,看誰的能力比較強。這在其它生物就沒辦法做到了啊。另外,演化是不能重複的,我們沒辦法讓它重來一次。

不過當年 Lenski  教授想到一個聰明的方法,他的實驗一次就做了 12 組重複同時進行,等於是有了讓同樣的一群細菌演化 12 次的結果。再配合上基因體定序技術,研究人員可以清楚知道哪一個譜系的細菌在哪一代的時候發生了什麼突變,而那時的細菌又在哪一年裡被另一個家族的細菌競爭掉消失了。

Lenski 教授當年這個充滿開創性的實驗策略,讓我們可以研究一些有趣的演化議題,例如演化真的會讓生物能力一直變好嗎?什麼類型的基因改變會在演化上帶來最大的好處?沒在用的基因擺著會發生什麼事?很多議題都在這一系列大腸桿菌的長期演化實驗 (E. coli long-term evolution experiment, LTEE)裡得到了解答。很多後來的研究人員也開始運用 Lenski 教授的想法在實驗室裡長期培養微生物來看改變,又讓實驗演化學(experimental evolution這個研究類別重新受到學界的注意。我自己也是這個遊行隊伍裡的一員呢(餓壞掉了的創傷弧菌

如果你對這一系統的研究有興趣,可以到他們的計畫網站上逛逛,很有趣的。

當年的先驅大腸桿菌們,生日快樂啊!

Zachary Blount 博士作勢要毀了 Richard Lenski 教授的細菌山。 照片來自 PLoS Biology, http://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1002185

Zachary Blount 博士(左)作勢要毀了 Richard Lenski 教授(右)養大腸桿菌的培養皿大山。
照片來自 PLoS Biology

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關於作者

陳俊堯

慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。