Waarom de levensboom overeind blijft, ook als soorten genen 'lenen'
Bacteriën doen iets wat wij niet kunnen: ze geven soms stukjes DNA rechtstreeks door aan hun buren, zonder dat er voortplanting aan te pas komt. Dit heet lateraal gentransfer. Het is alsof jij een stukje van je erfelijke informatie zomaar cadeau doet aan de buurman, in plaats van het door te geven aan je kinderen. Voor wetenschappers die de stamboom van het leven proberen te reconstrueren, is dat een groot probleem.
Normaal gesproken erven soorten hun genen van hun voorouders, net zoals jij genen van je ouders erft. Door DNA van verschillende soorten te vergelijken, kunnen biologen een soort stamboom tekenen: welke soort stamt van welke voorouder af, en wanneer splitsten takken zich. Maar als genen ook zomaar tussen niet-verwante soorten kunnen 'oversteken', klopt die stamboom dan nog wel?
Dat is precies de vraag die een team van wiskundigen en biologen onderzocht. Zij bouwden een wiskundig model dat lateraal gentransfer meeneemt, en gingen na of je de vorm van de echte stamboom van soorten nog steeds betrouwbaar kunt aflezen uit DNA-data, ook als sommige genen via een omweg zijn binnengekomen.
Het bewijs: de vorm van de boom blijft zichtbaar
De onderzoekers keken specifiek naar de situatie waarin gentransfer alleen gebeurt tussen nauw verwante soorten, dus tussen takken die dicht bij elkaar in de boom staan. Dat is realistisch: bacteriën wisselen makkelijker genen uit met soortgenoten in de buurt dan met soorten die evolutionair ver weg staan.
Voor dat scenario laten ze wiskundig zien dat de ongewortelde vorm van de stamboom, dus hoe de takken onderling vertakken zonder dat je weet welk uiteinde de 'oudste' voorouder is, nog steeds volledig valt te reconstrueren. Dat gebeurt op basis van zogeheten SNP-data: kleine puntverschillen in DNA tussen individuen, die vaak worden gebruikt om verwantschap te bepalen.
Om dit te bewijzen, legden de onderzoekers een technische verbinding tussen hun gentransfer-model en zogenoemde grafische modellen, een wiskundig gereedschap uit de statistiek. Vervolgens gebruikten ze wiskundige technieken met matrices (rekentabellen vol getallen) om splitsingen in de boom betrouwbaar op te sporen. Ze testten deze methode ook op nagebootste, gesimuleerde data en zagen dat de aanpak werkte om de juiste boomvorm terug te vinden.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is puur wiskundig bewijs voor een vereenvoudigd model, waarin gentransfer alleen tussen naaste verwanten plaatsvindt. In de echte natuur is gentransfer soms grilliger en kan het ook tussen ver verwante soorten gebeuren. Of de methode dan nog even goed werkt, is niet onderzocht in dit werk. Het is bovendien één onderzoeksteam dat dit model en bewijs presenteert; verdere toetsing door anderen moet nog volgen.
Waarom is dit belangrijk? Stambomen van soorten vormen de basis van veel biologisch onderzoek, van het volgen van de verspreiding van resistente bacteriën tot het begrijpen hoe het leven op aarde zich miljarden jaren geleden vertakte. Als gentransfer die reconstructie onmogelijk zou maken, zou een groot deel van dat onderzoek op losse schroeven staan. Dit werk laat zien dat de situatie, tenminste onder de onderzochte aannames, minder somber is dan gevreesd: de grote lijnen van de levensboom blijven zichtbaar, zelfs als individuele genen soms hun eigen weg gaan.
Bron: Identifiability of a Simple Model of Lateral Gene Transfer