Эволюция бактерий может быть предсказуемой в краткосрочной перспективе
Международное исследование, возглавляемое Алехандро Коусе из Центра биотехнологии и геномики растений (CBGP) Политехнического университета Мадрида, изучило классический вопрос о предсказуемости эволюции на примере адаптации бактерий. Результаты опубликованы 26 января в журнале Science.
Методология исследования
Учёные использовали современные технологии массового генетического редактирования, позволяющие вводить сотни тысяч мутаций в бактерии и изучать эффект каждой в отдельности. Эти методы были применены к предку и различным эволюционным стадиям из знаменитого Долгосрочного эволюционного эксперимента (LTEE), в котором 12 популяций бактерий E. coli эволюционировали в постоянных лабораторных условиях более 35 лет (более 70 000 поколений).
Ключевые результаты
- Постоянство спектра мутаций: Общая доля летальных, вредных и нейтральных мутаций оставалась практически постоянной на протяжении эволюции всех 12 линий. При этом конкретные гены, в которых происходили эти мутации, демонстрировали высокую изменчивость.
- Динамика летальных мутаций: Многие гены, летальные для предка, переставали быть таковыми в эволюционировавших штаммах. Однако аналогичная доля нелетальных мутаций предка становилась летальной позже. В итоге доля летальных мутаций оставалась постоянной.
- Предсказуемость адаптации: Доля полезных мутаций — наименее многочисленного класса — менялась в процессе адаптации. Исследование показало, что крупные начальные адаптации предсказуемы, но по мере развития эволюции эта способность теряется. «Демон существует, но он ужасно близорук», — поясняет Алехандро Коусе.
Практическое значение
- Медицина и эпидемиология: Результаты поддерживают усилия по прогнозированию эволюции патогенов, таких как бактерии с множественной лекарственной устойчивостью или новые пандемические вирусы.
- Биотехнология: Технологии массового генетического редактирования могут быть использованы для быстрого создания микроорганизмов, адаптированных для конкретных задач (защита растений, эффективный синтез или разложение соединений).
- Переосмысление моделей: Постоянство доли летальных мутаций требует пересмотра моделей концепции минимального генома.
Исследование открывает путь к созданию теории эволюции, способной делать конкретные прогнозы, по крайней мере, на статистическом уровне.