Biologie bovenbouw · Grades 10–12

13Mutaties en genetische variatie

Er wordt een kind geboren zonder enig pigment — wit haar, bleke huid, ogen die geen fel licht verdragen — uit twee gewone ouders uit een familie waarin de aandoening nooit is voorgekomen. Een kolonie bacteriën die nooit een antibioticum heeft ontmoet, bevat op honderd miljoen cellen enkele die er al weerstand tegen hebben. Een tuinier vindt aan een rozenstruik één tak met bloemen van een andere kleur. In elk van die gevallen is een DNA-volgorde één keer, in één cel, veranderd; en in elk geval wordt de verandering daarna trouw gekopieerd. Dit hoofdstuk gaat over die veranderingen: wat zij zijn, waar zij vandaan komen, hoe de cel ze beperkt, en waarom het leven ervan afhangt dat zij nooit helemaal ophouden.

13.1 Wat een mutatie is

Definitie 13.1 (Mutatie)

Een mutatie is een verandering in de volgorde van de nucleotiden van een DNA-molecuul, die wordt doorgegeven aan de nakomelingen van de cel waarin zij optreedt. De gewoonste zijn de puntmutaties, die één of enkele nucleotiden treffen:

een substitutie: één nucleotide wordt door een andere vervangen;
een insertie: er komen één of meer nucleotiden bij;
een deletie: er verdwijnen één of meer nucleotiden.

Grotere veranderingen — een stuk dat wordt verdubbeld, omgekeerd of verplaatst, of een heel chromosoom dat erbij komt of verdwijnt — zijn eveneens mutaties.

Drie puntmutaties van dezelfde volgorde (de letters staan in groepjes van drie om een reden die uitlegt). Een substitutie verandert één plaats; een insertie of een deletie verschuift alles wat erachter ligt. — Drie puntmutaties van dezelfde volgorde (de letters staan in groepjes van drie om een reden die Hoofdstuk 14 uitlegt). Een substitutie verandert één plaats; een insertie of een deletie verschuift alles wat erachter ligt.

Propositie 13.2 (Waar mutaties gebeuren, en bij wie)

Een mutatie die in een lichaamscel optreedt (een somatische mutatie) wordt alleen aan de nakomelingen van die cel doorgegeven: hoogstens een plek weefsel, bij één individu. Een mutatie in een geslachtscel — een gameet of een van haar voorlopers — wordt doorgegeven aan de nakomeling die eruit ontstaat en aan al diens cellen: een kiembaanmutatie is het enige type dat de erfelijkheid van de soort binnenkomt. De afwijkende tak van de rozenstruik is somatisch; de aandoening van het pigmentloze kind kwam van een kiembaanmutatie bij een voorouder, generaties lang in stilte meegedragen.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Voorbeeld 13.3 (De frequentie van mutaties)

De replicatie laat ongeveer één fout per $10^9$ nucleotiden achter (Hoofdstuk 11). Een gen van $3000$ basenparen wordt dus ongeveer één keer op elke $300\,000$ replicaties verkeerd gekopieerd; een mens, van wie het genoom in een leven zo’n $10^{16}$ keer wordt gekopieerd, hoopt in vele cellen mutaties in elk gen op. Elk kind wordt geboren met zo’n 60 nieuwe mutaties die geen van beide ouders had — vrijwel alle in de 98% van het genoom die geen genen is.

13.2 Oorzaken: spontaan en opgewekt

Propositie 13.4 (Spontane mutaties)

Mutaties ontstaan in elke cel, ook zonder enige invloed van buitenaf: uit de zeldzame misparingen die aan de controle van het polymerase ontsnappen, en uit de chemische onbestendigheid van het DNA zelf, waarvan de basen per cel duizenden keren per dag worden beschadigd door het water en de reactieve moleculen van de gewone stofwisseling. Zulke spontane mutaties zijn willekeurig: zij treden op elke plaats op, met een tempo dat er niet van afhangt of de verandering voor de cel nuttig zou zijn.

Bewijsmateriaal. Lederberg (1952) streek bacteriën die nooit aan een antibioticum waren blootgesteld uit op een plaat, liet ze tot kolonies uitgroeien, drukte daarna een fluwelen kussen op de plaat en stempelde de afdruk ervan — dezelfde kolonies op dezelfde plaatsen — op verscheidene platen met het antibioticum. De weinige weerstandige kolonies verschenen op elke antibioticumplaat op dezelfde plaatsen. Omdat zij van dezelfde kolonies van de oorspronkelijke plaat kwamen, die het antibioticum nooit hadden gezien, bestond de weerstandsmutatie al vóór de blootstelling: het antibioticum bracht haar aan het licht en veroorzaakte haar niet. De mutaties waren tijdens de groei van de kolonies willekeurig opgetreden, zonder rekening te houden met hun toekomstige nut. ∎

Stempelen met fluweel. Kolonies die zonder antibioticum zijn gegroeid, worden op antibioticumplaten gestempeld. Weerstandige kolonies (rood) verschijnen op elke afdruk op precies dezelfde plaatsen: de weerstand bestond al in de oorspronkelijke kolonies, vóór enig contact met het middel.

Definitie 13.5 (Mutageen)

Een mutageen is een natuurkundige of chemische invloed die het aantal mutaties verhoogt door DNA te beschadigen. Ultraviolet licht last naburige thymines op een streng aan elkaar; röntgenstraling en radioactiviteit breken de strengen; stoffen zoals het benzopyreen uit tabaksrook of het aflatoxine uit beschimmeld graan hechten zich aan basen en vervormen de helix. Een cel die aan een mutageen wordt blootgesteld, draagt naast haar spontane mutaties ook opgewekte mutaties — nog steeds op willekeurige plaatsen, alleen meer.

Voorbeeld 13.6 (Ultraviolet op gist)

Gistcellen worden op platen uitgestreken en steeds langer aan ultraviolet licht blootgesteld: na $10\,\mathrm{s}$ vormt de helft van de cellen geen kolonie meer, na $20\,\mathrm{s}$ een kwart, na $30\,\mathrm{s}$ een achtste — elke dosis halveert de overlevenden. Onder de overlevenden stijgt het aandeel kolonies met een zichtbaar veranderd kenmerk (kleur, vorm, onvermogen om op een bepaalde suiker te groeien) van één op een miljoen naar één op duizend. De lamp doodt door DNA onherstelbaar te beschadigen, en muteert door het net iets minder te beschadigen.

Overleving van gistcellen tegen de blootstelling aan ultraviolet. Gewone cellen verliezen per 10\, s de helft van hun aantal; een stam die ultravioletschade niet kan herstellen, verliest er per 10\, s negen tiende van. Het verschil is het werk van het herstel. — Overleving van gistcellen tegen de blootstelling aan ultraviolet. Gewone cellen verliezen per $10\,\mathrm{s}$ de helft van hun aantal; een stam die ultravioletschade niet kan herstellen, verliest er per $10\,\mathrm{s}$ negen tiende van. Het verschil is het werk van het herstel.

Twee platen met dezelfde bacteriën ingezaaid. Links: geen blootstelling, een doorlopend tapijt. Rechts: na blootstelling aan ultraviolet zijn alleen de cellen waarvan de DNA-schade op tijd is hersteld tot kolonies uitgegroeid.

13.3 De cel verweert zich: herstel

Propositie 13.7 (DNA-herstel)

Een cel loopt per dag tienduizenden DNA-beschadigingen op en houdt er vrijwel geen van over: daarvoor bestemde enzymstelsels patrouilleren langs de dubbele helix, herkennen een beschadigde of verkeerd gepaarde base, knippen het foute stuk uit één streng en bouwen het opnieuw op met de andere streng als matrijs — opnieuw de complementariteit van Hoofdstuk 3. Een beschadiging wordt pas een mutatie als zij aan het herstel ontsnapt voordat de volgende replicatie haar kopieert. Dankzij het herstel is het mutatietempo $10^{-9}$ en niet $10^{-5}$ .

Bewijsmateriaal. Mensen met de erfelijke aandoening xeroderma pigmentosum missen een van de enzymen die ultravioletschade wegknippen. Hun huid, blootgesteld aan gewoon daglicht, ontwikkelt duizend keer vaker kanker dan een normale huid, en dat al vanaf de vroege kindertijd; tegen de zon beschermd is zij normaal. Hetzelfde ultraviolet, dezelfde beschadigingen — maar zonder het herstel blijven de beschadigingen zitten en hopen de mutaties zich op in de genen die de celdeling besturen (Hoofdstuk 17). Gist- en bacteriestammen zonder herstelenzymen vertonen in het laboratorium dezelfde overgevoeligheid. ∎

De wedloop tussen herstel en replicatie. Een beschadiging die wordt weggeknipt en vanaf de andere streng opnieuw wordt opgebouwd, laat geen spoor na; een beschadiging die er nog is wanneer de vork langskomt, wordt in de volgorde gekopieerd en wordt een mutatie.

13.4 Gevolgen van een mutatie

Propositie 13.8 (Van volgorde tot fenotype)

Een mutatie maakt van een allel een nieuw allel. Haar gevolg hangt af van waar zij valt en van wat zij met het eiwit doet waarvoor het gen codeert (Hoofdstuk 14 geeft de regels):

buiten enig gen, of op een plaats die het eiwit niet verandert: geen gevolg — verreweg de meeste;
binnen een gen, waarbij één aminozuur verandert: een eiwit dat iets anders werkt, of helemaal niet, of bij uitzondering beter;
binnen een gen, waarbij de boodschap verschuift of wordt afgekapt: meestal een eiwit dat niet werkt.

Of een veranderd eiwit schadelijk, neutraal of nuttig is, hangt van de omgeving af: hetzelfde allel van een hemoglobinegen is een last in een gebied zonder malaria en een bescherming waar malaria heerst.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Voorbeeld 13.9 (Pigment verloren, pigment behouden)

Het pigment melanine wordt door een enzym gemaakt. Er zijn tientallen verschillende mutaties van het gen ervan bekend, die elk een niet werkzaam enzym opleveren en, bij iemand die twee zulke allelen draagt, de pigmentloze aandoening uit het begin van dit hoofdstuk. Elk daarvan ontstond willekeurig, één keer, in een geslachtscel; de zichtbare aandoening verschijnt pas wanneer twee dragers hun stille allel aan hetzelfde kind doorgeven. Datzelfde gen maakt, in een ander allel, een iets minder werkzaam enzym — en dus een lichtere huid, gewoon bij bevolkingen die duizenden jaren op hoge breedtegraden woonden, waar wat minder pigment de huid meer vitamine D uit een zwakke zon laat maken.

Propositie 13.10 (Mutatie, de bron van verscheidenheid)

Elk allel van elk gen begon als een mutatie van een eerder allel. De mutatie is het enige proces dat nieuwe genetische informatie schept; het geslachtelijke schudden uit het laatste jaar combineert alleen opnieuw wat de mutatie heeft gemaakt. Zeldzaam, willekeurig en voor het individu meestal neutraal of schadelijk, levert de mutatie niettemin over de generaties heen de variatie waarvan de evolutie uit Hoofdstuk 5 afhangt.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Methode 13.11 (Een mutatie analyseren)

Vergelijk de veranderde volgorde letter voor letter met de oorspronkelijke, en benoem de verandering (substitutie, insertie, deletie; hoeveel nucleotiden).
Bepaal waar zij ligt: in een gen of erbuiten; ligt zij in een gen, dan of het lezen van de boodschap verschuift.
Stel vast in welke cel zij optrad: somatisch (één individu, één weefsel) of in de kiembaan (doorgegeven).
Zoek een oorzaak als het tempo ongewoon is (blootstelling aan een mutageen, gebrekkig herstel); schrijf het anders aan toeval toe.
Beoordeel het gevolg op het niveau van het eiwit, de cel, het organisme en de populatie — in die volgorde, en in een opgegeven omgeving.

Opmerking 13.12 (Willekeurig, precies gezegd)

"Willekeurig" betekent niet dat alle plaatsen even vaak muteren — sommige volgordes zijn kwetsbaarder — en evenmin dat mutaties zonder oorzaak zijn. Het betekent dat het optreden van een mutatie losstaat van de vraag of zij de cel zou helpen: de antibioticumbestendige bacteriën van de stempelplaten werden niet door het antibioticum bestendig gemaakt, en geen enkel organisme kan "besluiten" om in een nuttige richting te muteren. De selectie stuurt, achteraf; de mutatie levert alleen aan.

13.5 Oefeningen

Oefening 13.1 ★

Definieer mutatie en noem de drie typen puntmutatie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.1.

Een verandering in de nucleotidenvolgorde van DNA, die aan de nakomelingen van de cel wordt doorgegeven. Substitutie, insertie, deletie.

Oefening 13.2 ★

Vergelijk ATGCCTGAAT met de mutanten ATGCCAGAAT, ATGCCTGAT en ATGCCTTGAAT. Benoem elke mutatie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.2.

ATGCCAGAAT: substitutie (T naar A op plaats 6). ATGCCTGAT: deletie van één A. ATGCCTTGAAT: insertie van één T.

Oefening 13.3 ★

Wat is het verschil tussen een somatische mutatie en een kiembaanmutatie? Welke doet ertoe voor de erfelijkheid?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.3.

Somatisch: in een lichaamscel, alleen doorgegeven aan de nakomelingen van die cel binnen het individu. Kiembaan: in een gameet of haar voorloper, doorgegeven aan de nakomelingen en al hun cellen. Alleen kiembaanmutaties komen de erfelijkheid binnen.

Oefening 13.4 ★

Noem drie mutagenen en, voor een van hen, de schade die het aan DNA toebrengt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.4.

Ultraviolet licht, röntgenstraling, benzopyreen uit tabaksrook (en ook radioactiviteit, aflatoxine). Ultraviolet last twee naburige thymines van één streng aan elkaar en vervormt zo de helix.

Oefening 13.5 ★

Wat gebruikt een herstelsysteem als matrijs om een beschadigd stuk opnieuw op te bouwen? Waarom kan dat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.5.

De gave complementaire streng: omdat elke streng de andere vastlegt, kan de juiste volgorde van het beschadigde stuk vanaf de partner opnieuw worden opgebouwd.

Oefening 13.6 ★★

Welk deel van de gewone gist overleeft volgens de overlevingsfiguur $40\,\mathrm{s}$ ultraviolet? En van de stam zonder herstel? Met welke factor verbetert het herstel de overleving bij die dosis?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.6.

Gewoon: ongeveer 6%; zonder herstel: 0.01%. Het herstel verbetert de overleving bij die dosis ongeveer 600-voudig.

Oefening 13.7 ★★

Een kweek van $10^9$ bacteriën wordt op een antibioticumplaat uitgestreken en er groeien 20 kolonies. Schat de frequentie van bestendige cellen. Zegt dit je dat de mutatie door het antibioticum is veroorzaakt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.7.

$20/10^9 = 2 \times 10^{-8}$ . Nee: de plaat laat alleen zien welke cellen al bestendig waren; of het antibioticum de mutatie veroorzaakte, vergt de stempelproef.

Oefening 13.8 ★★

Leg in je eigen woorden uit waarom de gelijke plaatsen van de bestendige kolonies op de stempelplaten bewijzen dat de mutaties vóór de blootstelling optraden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.8.

Elke afdruk krijgt cellen van dezelfde oorspronkelijke kolonies. Als het antibioticum bij contact weerstand veroorzaakte, zouden de getroffen cellen op elke afdruk een willekeurig handjevol zijn, op ongerelateerde plaatsen. Dat de weerstand telkens op dezelfde plaatsen zit, betekent dat die oorspronkelijke kolonies, zonder middel gegroeid, al bestendige cellen bevatten.

Oefening 13.9 ★★

Een gen van $3000$ basenparen wordt gekopieerd met één fout per $10^9$ nucleotiden. Hoeveel cellen dragen in een weefsel van $10^{12}$ cellen, alle door 40 delingen uit één cel voortgekomen, ruwweg een nieuwe mutatie in dat gen? (Tel alleen de fouten van de laatste deling.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.9.

Fouten per kopie van het gen: $2 \times 3000 \times 10^{-9} = 6 \times 10^{-6}$ (beide strengen). Van de $10^{12}$ cellen die bij de laatste deling zijn gemaakt, dragen er ongeveer $6 \times 10^{6}$ een nieuwe mutatie in dat gen.

Oefening 13.10 ★★

Een rozenstruik draagt één tak met bloemen van een andere kleur. Stekken van die tak geven struiken met de nieuwe kleur; zaden uit haar bloemen geven gewone rozen. Verklaar beide uitkomsten.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.10.

Een somatische mutatie in een knopcel gaf de tak zijn kleur; stekken zijn dat weefsel en behouden hem dus. De geslachtscellen van de bloemen komen uit diezelfde tak, maar een verandering in één allel wordt aan slechts de helft van de gameten doorgegeven, en de eicellen werden bevrucht door stuifmeel met het gewone allel; het nieuwe allel blijft, als het recessief is, in de zaailingen verborgen.

Oefening 13.11 ★★

Waarom krijgt iemand met xeroderma pigmentosum wel huidkanker maar bijvoorbeeld geen darmkanker?

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.11.

Het ontbrekende enzym herstelt ultravioletschade; ultraviolet dringt alleen tot de huid door. De darm ontvangt geen ultraviolet, loopt zulke beschadigingen niet op en heeft dat herstel niet nodig.

Oefening 13.12 ★★★

Zonnebrandcrème neemt ultraviolet op. Leg met de overlevingsfiguur uit wat een crème die een tiende van het ultraviolet doorlaat, doet met het aantal beschadigingen per huidcel in een uur zon, en waarom "geen zonnebrand" niet "geen mutaties" betekent.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.12.

De beschadigingen zijn evenredig met de dosis: een tiende van het ultraviolet betekent een tiende van de beschadigingen per cel per uur — nog altijd duizenden. Zonnebrand is de dood van veel cellen; onder die dosis overleven de cellen, maar de beschadigingen die aan het herstel ontsnappen worden mutaties. Geen brand betekent dat de schade te overleven was, niet dat zij afwezig was.

Oefening 13.13 ★★★

Een allel van het hemoglobinegen beschermt tegen malaria bij dragers van één kopie, maar veroorzaakt een ernstige ziekte bij dragers van twee. Bespreek of die mutatie "schadelijk" of "nuttig" is, en wat de doorslag geeft.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.13.

Geen van beide op zichzelf. In een gebied met malaria verhoogt de enkele kopie de overleving, en blijft het allel ondanks de ziekte van dubbele dragers algemeen; waar malaria ontbreekt veroorzaakt het alleen ziekte en is het zeldzaam. De omgeving, en het aantal kopieën, bepalen de waarde van een mutatie.

Oefening 13.14 ★★★

In bacteriën in een bouillon zonder antibioticum blijkt na 30 generaties één bestendige cel op een miljoen te zitten. Wat gebeurt er binnen een dag met de kweek als het antibioticum dan wordt toegevoegd? Leg uit waarom artsen erop staan dat een antibioticumkuur helemaal wordt afgemaakt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.14.

De gevoelige cellen sterven; de bestendige, die er al waren, delen zich ongehinderd en binnen een dag is de kweek volledig bestendig. Een kuur die te vroeg wordt gestaakt, laat de laatste overlevenden — de meest bestendige — in leven om weer aan te groeien, in een lichaam dat nu aan weerstand is verrijkt; de kuur afmaken doodt ze voordat zij zich vermenigvuldigen.

Oefening 13.15 ★★★

"Als mutaties bijna altijd schadelijk zijn, kan evolutie er niet op worden gebouwd." Bespreek dit in een alinea, met de begrippen willekeur, het aandeel neutrale mutaties, de omgeving en de tijdschaal.

Oplossing

Oplossing van Oefening 13.15.

De meeste mutaties zijn neutraal (buiten genen of zonder gevolg voor het eiwit), een minderheid is schadelijk, een heel enkele nuttig; doordat zij willekeurig zijn, treden zij op ongeacht hun nut, maar de selectie behoudt de nuttige en verwijdert de schadelijke. Het nut hangt van de omgeving af, dus kan een mutatie die vandaag schadelijk is, degene zijn die telt wanneer de omstandigheden veranderen. Over duizenden generaties, met miljarden individuen, ontstaan zelfs zeldzame nuttige mutaties keer op keer: de evolutie is gebouwd op het gesorteerde overschot, niet op de gemiddelde mutatie.

13.6 Probleem: De fluwelen stempel

Probleem 13.1

Weekendprobleem — het stempelen met fluweel van Lederberg gereconstrueerd: kolonies geteld, weerstanden in kaart gebracht, de oorsprong van de mutaties beslist, en hun tempo gemeten

Een leerling strijkt ongeveer 200 bacteriën uit een kweek die het antibioticum streptomycine nooit heeft ontmoet, uit op een plaat zonder antibioticum. Na een nacht zijn er 200 kolonies gegroeid, elk uit één cel en elk met ongeveer $10^7$ cellen. Er wordt een fluwelen kussen op de plaat gedrukt en op drie platen met streptomycine gestempeld. De volgende dag toont plaat A twee bestendige kolonies, plaat B twee, plaat C twee — op alle drie op dezelfde twee plaatsen.

Deel I — De proef.

Waarom moeten de kolonies op de oorspronkelijke plaat uit afzonderlijke cellen komen, en waarom wordt het aantal uitgestreken bacteriën klein gehouden?
Leg uit wat het fluweel overbrengt, en waarom de plaats van een kolonie behouden blijft.
Twee plaatsen op 200 geven op elke afdruk bestendige kolonies. Wat laat de overeenstemming tussen de drie afdrukken zien?
Stel dat het antibioticum bij contact bij een klein deel van de cellen weerstand zou opwekken. Beschrijf het patroon dat de drie afdrukken dan zouden tonen.
Welke van de twee hypothesen — mutatie vóór het contact, of opwekking door het contact — ondersteunt het waargenomen patroon? Geef het argument in één zin.

Deel II — Terug naar de oorspronkelijke plaat.

De leerling neemt cellen van de twee bestendige plaatsen op de oorspronkelijke plaat (die het antibioticum nooit heeft aangeraakt) en van twee andere plaatsen, en toetst elk monster op streptomycine. Voorspel de uitkomsten.
De twee kolonies op de bestendige plaatsen bevatten elk ongeveer $10^7$ cellen. Zijn al hun cellen bestendig, of slechts een deel? Wat zou je moeten weten om dat te beslissen?
Een kolonie groeit uit één cel door ongeveer 23 delingen. Welk deel van de cellen van de kolonie draagt de mutatie als die bij de 20e deling optrad? En als die bij de 3e deling optrad?
Leg uit waarom het toetsen van een hele kolonie een mutatie kan onthullen die maar in een deel van haar cellen zit.
Waarom werkt de proef alleen als de kolonies op de stempelplaten precies groeien waar de oorspronkelijke stonden?

Deel III — Het tempo meten.

De leerling herhaalt de proef met 50 oorspronkelijke platen van elk 200 kolonies: 10 000 kolonies, waarvan er 30 bestendige afdrukken geven. Welk deel van de kolonies draagt ten minste één bestendige cel?
Elke kolonie ontstond uit één cel door ongeveer $10^7$ celdelingen. Schat de kans dat een gegeven deling een weerstandsmutatie oplevert.
Weerstand tegen streptomycine vergt een verandering op één bepaalde plaats van één gen. Vergelijk je schatting met het replicatiefoutentempo van $10^{-9}$ per nucleotide, en becommentarieer dat.
Uit één cel wordt in bouillon zonder antibioticum een kweek van $10^9$ cellen opgekweekt. Schat met jouw tempo hoeveel bestendige cellen die waarschijnlijk bevat wanneer het antibioticum ten slotte wordt toegevoegd.
Hoe verandert het aantal bestendige cellen als de weerstandsmutatie vroeg in de groei van die kweek optrad? Waarom geven herhaalde kweken sterk verschillende tellingen?

Deel IV — Wat het betekent.

Leg het verschil uit tussen "mutaties zijn willekeurig" en "mutaties zijn zeldzaam", en zeg welke van beide de proef vaststelt.
Het antibioticum schiep de weerstand niet. Wat deed het wel met de populatie?
Vertaal de proef in de taal van Propositie 13.10: wat leverde de variatie, en wat sorteerde haar?
Een leerling werpt tegen dat de twee bestendige kolonies op de oorspronkelijke plaat "er precies zo uitzagen als de andere". Leg uit waarom een mutatie onzichtbaar kan blijven tot de omgeving verandert.
Geef het resultaat: wat de gelijke plaatsen op drie fluwelen afdrukken bewezen over de oorsprong van mutaties, en het tempo per deling dat je hebt gemeten.

Oplossing

Oplossing van Probleem 13.1.

1. Zodat elke kolonie een kloon met een bekende oorsprong is, en zodat de kolonies ver genoeg uit elkaar liggen om ze op de afdrukken uit elkaar te houden.

2. Enkele cellen van de bovenkant van elke kolonie, in dezelfde meetkundige opstelling als op de plaat, doordat het kussen vlak wordt aangedrukt zonder te schuiven.

3. Dat de bestendige cellen in die twee oorspronkelijke kolonies aanwezig waren: drie onafhankelijke afdrukken stemmen niet toevallig overeen.

4. Bestendige kolonies op willekeurige, ongerelateerde plaatsen op de drie platen, want welke cellen zouden zijn opgewekt verschilt van afdruk tot afdruk.

5. Mutatie vóór het contact: de weerstand is terug te voeren op de oorspronkelijke kolonies, die het middel nooit ontmoetten.

6. Cellen van de twee bestendige plaatsen groeien op streptomycine; cellen van de andere plaatsen niet.

7. Waarschijnlijk slechts een deel: de mutatie trad bij een zekere deling tijdens de groei van de kolonie op, en alleen de nakomelingen van die cel zijn bestendig. Om dat te beslissen zou je een bekend aantal cellen van de kolonie op streptomycine moeten uitstrijken en de overlevenden tellen.

8. Bij de 20e van 23 delingen: $1/2^{20-1}$ …eenvoudiger gezegd, de gemuteerde cel deelt zich dan nog 3 keer: $2^3 = 8$ bestendige cellen op $2^{23}$ , ongeveer één op een miljoen. Bij de 3e deling: een van de 8 cellen die er dan zijn, dus een achtste van de kolonie.

9. Zelfs enkele bestendige cellen tussen de zo’n $10^4$ die het fluweel meeneemt, volstaan om een kolonie op de antibioticumplaat te stichten; de toets ziet de aanwezigheid van bestendige cellen, niet hun aandeel.

10. Het argument berust op de plaats: alleen als de meetkunde behouden blijft, kan een kolonie op een afdruk met een kolonie op de oorspronkelijke plaat worden vereenzelvigd.

11. $30/10\,000 = 3 \times 10^{-3}$ .

12. Ongeveer $3 \times 10^{-3}$ mutaties per $10^7$ delingen: $3 \times 10^{-10}$ per deling.

13. Van dezelfde orde als het foutentempo op één nucleotide: de weerstandsmutatie is in wezen één bepaalde substitutie die aan het herstel ontsnapt.

14. $10^9$ delingen bij $3 \times 10^{-10}$ : gemiddeld een fractie van één mutatie, dus bevatten de meeste kweken geen of enkele bestendige cellen (elke mutatie daarna vermenigvuldigd door de delingen die erop volgen).

15. Een mutatie bij een vroege deling wordt door een groot deel van de kweek geërfd, dus is de telling hoog; een late geeft maar enkele bestendige cellen. Doordat het tijdstip willekeurig is, geven herhaalde kweken sterk uiteenlopende tellingen — op zichzelf al een teken dat de mutaties vóór, en niet als antwoord op, het antibioticum ontstaan.

16. Zeldzaam: mutaties treden per deling zelden op. Willekeurig: zij treden op los van hun nut. De proef stelt de willekeur vast (het argument van de plaats); de tellingen van deel III meten de zeldzaamheid.

17. Het sorteerde de populatie: het doodde de gevoelige cellen en liet de bestendige zich vermenigvuldigen — selectie.

18. De mutatie leverde het bestendige allel, willekeurig en vóór er enige behoefte was; het antibioticum sorteerde de populatie en hield alleen haar dragers over.

19. De mutatie verandert een molecuul dat bij de werking van het middel betrokken is, niet de groei of het uiterlijk van de kolonie zonder het middel; een genetisch verschil heeft alleen een zichtbaar gevolg in een omgeving waarin het ertoe doet.

20. De gelijke plaatsen op de drie afdrukken bewezen dat weerstandsmutaties vóór, en onafhankelijk van, de blootstelling aan het antibioticum ontstaan; het gemeten tempo is ongeveer $3 \times 10^{-10}$ per celdeling.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst