Предсказания на кишечной палочке

Если молекулярная основа жизни ДНК, кодирующая посредством РНК структуру всех белков и клеточную дифференциацию (в случае многоклеточных организмов), одинакова для всех живых существ, то разнообразие их форм, наследуемых, передаваемых следующим поколениям и одновременно пластичных, постоянно меняющихся в ходе эволюции, тем не менее огромно.

Каковы причины и механизм биологического разнообразия, когда одна предковая разновидность организмов расщепляется на несколько?

Географическое изолирование, когда в частях популяции, которые начинают адаптироваться к разным экологическим условиям, происходит отбор полезных мутаций и генетическое закрепление различных признаков, традиционно рассматривается в качестве одного из основных сценариев «расщепления» видов. Но может ли подобное расщепление происходить без изоляции частей, то есть внутри компактной популяции, занимающей одну экологическую нишу? Теоретически да, и это подтверждают эмпирические наблюдения, хотя генетический механизм подобной диверсификации вида остается во многом непонятным, как неизвестно, можно ли, имея на руках расшифрованные геномы, данные физиологии и описание экологических параметров, предсказывать этот процесс.

Например, отслеживая изменения, происходящие в нескольких популяциях одного вида, развивающихся изолированно, но в идентичных условиях.

Ставить подобные эксперименты над высшими животными дорого, сложно и требует слишком много времени для накопления статистики. Задача сильно упрощается, если в качестве объектов наблюдения выбраны микробы, например кишечные палочки, которые быстро размножаются и популяции которых, состоящие из генетически идентичных клеток (так называемые моноклональные культуры), можно без труда делить, помещая их в идентичные, точно регулируемые среды.

Именно по такому пути — обнаружить общий механизм генетической пластичности, порождающий тем не менее различные эволюционные результаты, то есть различные сценарии диверсификации клеток внутри моноклональных колоний микробов, развивающихся изолированно, но в одинаковых стартовых условиях, — пошли асситент-профессор Университета Монтаны Мэтью Херрон и его коллега Майкл Добелли, профессор Университета Британской Колумбии, чью статью «Параллельная эволюционная динамика адаптивной диверсификации Escherichia coli публикует сегодня PLOS Biology.

Авторы поставили серию экспериментов над тремя колониями кишечных палочек, помещая их в одинаковую среду — питательный раствор глюкозы и менее аппетитного (с точки зрения бактерии) ацетата глюкозы, который сложней перерабатывать. За 1200 поколений в колониях формировался баланс из двух специализированных типов сосуществующих бактерий, чей метаболизм был адаптирован к одному из двух питательных ресурсов: одна часть колонии умела быстро переваривать глюкозу, но медленней переходила на ацетат, другая размножалась на глюкозе не так быстро, но зато быстрей переключалась на ее связанную форму.

Замораживая бактерии и расшифровывая их геномы в разное время эволюции колоний (1200 поколений были разделены на 16 интервалов, фиксирующих разные стадии эволюции) Херрон и Добели к своему удивлению обнаружили, что, несмотря на изоляцию колоний и разные условия среды (баланс различных питательных ресурсов менялся всегда по разному во всех трех случаях), процесс внутренней диверсификации сопровождался сходными и даже идентичными мутациями в их геномах. Детальный анализ показал, что в трех изолированных популяциях кишечных палочек за изменение фенотипа, то есть биологическое разнообразие, возникающее внутри популяции микробов, не только отвечает более или менее сходный набор генов, но и характер изменений, происходящих в этих генах, также сходен, что говорит о закономерности в характере мутаций.

Другими словами, Херрон и Добелли, имея на руках расшифрованные участки больших порций бактериальных геномов, получили свидетельство предсказуемости процесса эволюционной диверсификации организмов.

«Геном кишечной палочки насчитывает 4,5 млн нуклеотидов, и тот факт, что в геномах различных изолированных популяций микробов могут происходить совершенно одинаковые изменения (всего было выявлено четыре одинаковые мутации), выглядит очень интригующе», — резюмируют авторы статьи.

Предсказуемость мутаций имеет важное практическое значение, так как позволит, например, заранее просчитывать, какие механизмы защиты от антибиотиков будут использовать микробы.

Херрон и Добелли уверены, что одна из форм естественной селекции, а именно частотно-зависимый отбор, когда более редкая форма адаптации (например, ацетат-специализированные бактерии) получает селективное преимущество перед чаще встречающейся (например, глюкозо-специализированной) в ходе изменения экологических условий (например, изменения баланса пищевых ресурсов), играет важную движущую роль в биологической диверсификации организмов, занимающих одну экологическую нишу. Притом сценарий, по которому будет развиваться диверсификация, отчасти генетически детерминирован.

Остается выяснить, справедлив ли этот вывод в случае более сложных многоклеточных организмов.