Ускорение эволюции бактерий в лаборатории с помощью «прыгающих генов»

Команда Токийского университета разработала систему для контроля и ускорения эволюционных изменений в структуре бактериального генома, воздействуя на небольшие «прыгающие гены» — последовательности ДНК, известные как инсерционные последовательности (IS). Исследование опубликовано в журнале Nucleic Acids Research.

Проблема и цель

Эволюционные события, такие как происхождение митохондрий, оставляют мало следов, что затрудняет их реконструкцию. Лабораторные эксперименты обычно изучают лишь мелкие генетические изменения. Новая работа призвана заполнить этот пробел, позволив напрямую наблюдать крупномасштабные изменения структуры генома.

Метод

В качестве модели использовалась Escherichia coli (E. coli), у которой естественная частота транспозиции (перемещения) IS составляет примерно один раз в год (или каждые несколько тысяч поколений). Исследователи ускорили этот процесс, введя в бактерии несколько копий высокоактивных IS. Идея метода возникла при изучении насекомых, чьи симбиотические бактерии имеют крошечные геномы с множеством транспозонов («прыгающих генов»).

Результаты

Всего за 10 недель эксперимента у бактерий накопились значительные изменения:

  • Около 25 новых вставок мобильных генетических элементов.
  • Изменение размера генома более чем на ±5%.

Эта скорость сопоставима с изменениями, происходящими в природе за десятилетия.

Ключевые выводы

  1. Обнаружено взаимодействие частых мелких делеций и редких крупных дупликаций. Это обновляет взгляд на уменьшение генома как на простое следствие «делеционного уклона», добавляя нюансы с учётом временных расширений.
  2. Высокая активность IS привела к появлению структурных вариантов и составных транспозонов, проливая свет на их потенциальные эволюционные пути.
  3. Исследование также неожиданно показало, что эволюционное поведение самих транспозонов заслуживает большего внимания.

Перспективы

Разработанная система создаёт основу для изучения влияния вставок IS, изменения размера генома и перестроек на приспособленность организмов. В будущем её можно применить для исследования условий возникновения кооперации между бактериями или бактериями и их хозяевами.

Долгосрочная цель — понять принципы, лежащие в основе усложнения биологических систем, и в перспективе создавать высокосложные органические материалы, функции которых требуют «эволюционной тонкой настройки».