Предсказания на кишечной палочке | |
Получено свидетельство предсказуемости некоторых процессов, отвечающих за биологическое разнообразие организмов: в трех изолированных колониях кишечных палочек выявлены одинаковые мутации в сходной группе генов. 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 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. Источник - |
Академия наук Республики Башкортостан
Государственное бюджетное научное учреждение «Академия наук Республики Башкортостан» решает задачи научного обеспечения развития Республики Башкортостан и ее многонационального народа, активно участвует в интеграции исследовательской, инновационной деятельности научных организаций, вузов и предприятий республики, укрепляет связи между наукой и образованием, развивает сотрудничество научных организаций республики с российским и мировым научными сообществами.
Сегодня Академия наук Республики Башкортостан – современное, мобильное, динамично развивающееся научное учреждение, координирующее научные исследования в Башкортостане. Вопросы интеграции фундаментальных и прикладных исследований, инновационной деятельности научных учреждений и вузов республики являются первостепенными в Академии наук Республики Башкортостан.
Пользователи могут получить оперативную и полную информацию об ГБНУ "Академии наук Республики Башкортостан" (ее структуре, учреждениях, тематике научных исследований, достижениях и открытиях, новостях и т.д.). Здесь также представлена история создания, становления и деятельности Академии наук Республики Башкортостан, информация о ее членах – известных ученых республики, страны, мира.