Новый метод предсказывает эволюцию

Предсказание эволюции, движимой случайностью, кажется невозможным. Однако ученые из AMOLF в Амстердаме и ESPCI в Париже смогли сделать прогнозы об эволюции набора генов в E. coli. Когда и как гены мутируют, остается случайным, но оказалось предсказуемым, какой ген с большей вероятностью эволюционирует первым или возникнет ли эволюционный тупик. Результаты опубликованы 13 апреля в журнале Nature Communications.

«Эволюция в новых условиях по своей природе непредсказуема. Мутации возникают случайным образом в разных генах и в разное время, — говорит руководитель группы AMOLF Сандер Танс. — Кроме того, редко можно заранее знать, какой эффект мутация окажет на функции клетки и каково влияние факторов окружающей среды».

Другая ключевая сложность заключается в том, что мутации могут косвенно влиять друг на друга — неблагоприятная мутация может фактически дать эволюционное преимущество в комбинации с другими мутациями.

Белковая сигнальная цепь

Танс и его коллеги исследовали взаимодействие между мутациями в двух генах внутри бактерии E. coli. Эти гены помогают обнаруживать присутствие сахара в окружающей среде. Молекулы сахара активируют первый ген, который, в свою очередь, активирует второй, и так далее. Такая система обнаружения необходима для экспрессии и активации генов в нужный момент, например, ферментов, способных расщеплять сахара. Следовательно, оптимальное обнаружение может дать существенное эволюционное преимущество. «Задача состояла в том, чтобы найти способ предсказать, как эта система будет эволюционировать», — говорит Танс.

«Сначала мы разработали теоретическую модель. Но мы быстро осознали нечто довольно простое: если один ген мутирует, это не влияет напрямую на свойства другого гена. Само по себе это, казалось бы, не помогает нашему пониманию эволюции. Но вместе с ранее полученными знаниями о том, как гены активируются за счет повышенной экспрессии, это приводит к конкретным прогнозам. Например, что мутации в генах в конце такой сигнальной цепи могут быть выгодными, но это более вероятно, когда сначала мутировали гены в начале цепи. Это означает, что мы можем предсказать, что эволюция идет в определенном временном порядке, и какие гены в начале цепи мутировали первыми. С другой стороны, может возникнуть и эволюционный тупик: конкретный ген может эволюционировать, только если другой эволюционирует одновременно. Это означает, что если оба гена ждут друг друга, то ничего не произойдет».

Кроме того, Танс и его коллеги проверили прогнозы экспериментально на E. coli. Вводя ряд мутаций в оба гена и комбинируя их во всех возможных последовательностях, удалось проверить взаимодействия между генами и, следовательно, подтвердить предсказания.

Эволюционная карта погоды

Предсказание эволюции таким образом несколько похоже на то, как метеорологи предсказывают погоду. Они указывают вероятность дождя, например. «Суть в том, что предсказание не должно быть точным, как когда вы стреляете из пушечного ядра и можете довольно точно предсказать, где оно приземлится, — говорит Танс. — Мы не предсказываем, где и когда возникают мутации. Скорее, речь идет о предсказании определенных ограничений эволюционного процесса и, в конечном итоге, о предоставлении вероятностей для различных сценариев. Наше исследование показывает, что такие предсказания в эволюции возможны. Такой тип прогностического понимания может быть очень полезен. Например, это может помочь ограничить эволюцию устойчивости бактерий к антибиотикам, назначая антибиотики в определенных последовательностях».

В долгосрочной перспективе исследование поднимает вопросы об эволюции в других контекстах. «Возьмем, к примеру, вопрос о том, продолжают ли люди существенно эволюционировать и каковы ограничения, — говорит Танс. — Более широко, в эволюционных исследованиях мы обычно изучаем эволюцию исторически, как в природе, так и в лаборатории. Но также интересно — и полезно — рассматривать, что возможно или невозможно в будущем».