Эволюция в миниатюре: исследование измеряет физические эффекты эволюции на молекулярном уровне

Уникальный эксперимент в Университете Райса, заставляющий бактерии вступать в прямую конкуренцию за эволюционное доминирование, позволил получить новые данные о том, как дарвиновский отбор проявляется на молекулярном уровне. Точный новый анализ эксперимента показал, как именно конкретные генетические мутации обеспечивают физическое преимущество в борьбе за выживание.

Исследование, которое может привести к более эффективным стратегиям борьбы с устойчивостью к антибиотикам, стало самой скачиваемой статьей в этом месяце в журнале Molecular Systems Biology.

Работа основана на оригинальном исследовании 2005 года с участием бактерий-"термофилов", которые процветают при высоких температурах. Исследователи из лаборатории биохимика Райса Юсифа Шаму "выключили" ключевой ген, позволявший термофилам вырабатывать энергию при высоких температурах. Эти ослабленные версии бактерий выращивали в ферментерах в течение нескольких недель. Каждый день температуру в ферментерах повышали. В результате бактерии были вынуждены либо голодать, либо адаптироваться, чтобы выжить при высокой температуре.

Из сотен возможных мутаций успешными в адаптации и выживании при высокой температуре оказались только пять. У каждой из них были мутации в гене, создающем ключевой фермент, помогающий вырабатывать энергию при высокой температуре. Каждая из пяти создавала немного отличающуюся версию фермента.

"В конечном итоге одна из этих пяти полностью победила и привела к вымиранию всех остальных, — сказал Шаму, доцент биохимии и клеточной биологии. — Вопрос в том, какое физическое преимущество имел этот конкретный мутант? Каковы были точные физические изменения фермента, которые позволили этому штамму превзойти своих собратьев?"

Поиск ответа на этот вопрос был кропотливым. Хотя генетические мутации были известны из предыдущего исследования, аспиранту Мэтту Пенье предстояло выяснить, как небольшие изменения в структуре ДНК бактерий трансформировались в конкретные изменения фермента. Он обнаружил, что адаптация критически зависела от одновременного поддержания работоспособности фермента и повышения его устойчивости к инактивации с ростом температуры.

Он выяснил, что версии фермента — который является специфическим видом белка — становившиеся неактивными, также были подвержены неправильному сворачиванию белка. У людей неспособность поддерживать правильно свернутые и активные белки связывают с несколькими заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера.

"Такие исследования могут помочь нам понять физическую основу подобных заболеваний, а также дать лучшее понимание молекулярной основы адаптации, — сказал Шаму. — Например, то, что мы узнаем от этих термофилов, переносится на нашу работу с устойчивыми к лекарствам бактериями, потому что принципы адаптации одинаковы, независимо от того, изучаете ли вы температуру, pH, устойчивость к антибиотикам или что-то еще".

Лаборатория Шаму получила финансирование от Национальных институтов здравоохранения (NIH) в 2009 году для изучения того, как бактерии развивают устойчивость к антибиотикам. Одна из конечных целей проекта — предсказать, как будет развиваться эволюция, чтобы производители лекарств могли предотвратить появление устойчивости до ее возникновения.

"С помощью исследования термофилов мы показали, что можно построить функцию приспособленности — математическое выражение, — которая переводит производительность фермента в конкретную меру конкурентного преимущества, — сказал Шаму. — Это важно, потому что если вы не можете сделать это для одного интересующего белка, то у вас нет никаких шансов сделать это для более сложной проблемы, такой как устойчивость к антибиотикам, которая включает одновременные мутации более чем в одном гене".