ВОСТОЧНЫЙ ЛАНСИНГ, штат Мичиган. Некоторые из самых известных в мире болезнетворных организмов быстро эволюционируют, чтобы приспособиться к окружающей среде. Теперь команда ученых МГУ узнала, что управляет скоростью эволюционной адаптации.
Ответы, опубликованные в выпуске журнала Science от 15 января, могут дать ключ к контролю над быстро мутирующими болезнетворными организмами, такими как кишечная палочка и ВИЧ, или размножению полезных бактерий, таких как те, которые разлагают токсичные соединения, сказал Ричард Ленски, биолог-эволюционист из Центра микробной экологии Мичиганского государственного университета.
«Людям очень интересно наблюдать за эволюцией в действии», - сказал Ленски. «И есть особый интерес к пониманию эволюции болезнетворных организмов».
Ленски и его команда исследователей, работавших с колониями бактерий кишечной палочки, обнаружили, что можно направить организмы на ускоренный эволюционный путь, но они также узнали, что у этого ускоренного пути есть ограничение скорости.
Для адаптации организма необходимы два процесса: мутация и естественный отбор. Мутация - это случайное изменение генетической структуры организма. Большинство мутантов вредны и не выживают. Однако иногда мутация приносит полезные изменения. Естественный отбор - это процесс, усиливающий полезные мутации. Если мутации полезны, они выживают и размножаются.
Команда МГУ использовала бактерии кишечной палочки в качестве модели, отчасти потому, что они быстро размножаются. Примерно за 100 дней наблюдали 1000 поколений. Команда Ленски увеличила количество мутаций двумя способами: увеличила количество кишечной палочки и использовала штаммы бактерий с повышенным уровнем мутаций.
Тем временем первые поколения были заморожены для хранения. Позже они были разморожены и отправлены в соревнование со своими потомками, чтобы измерить, насколько хорошо развилась новая семейная линия.
«По сути, мы воскрешаем их предков из мертвых», - сказал Ленски. «Мы воскрешаем их, они едят глюкозу и размножаются, и мы определяем, как они конкурируют со своими потомками».
Результат: увеличение количества мутаций ускоряет эволюцию. Несмотря на то, что есть более вредные мутации, естественный отбор по-прежнему обеспечивал выживание наиболее приспособленных полезных мутаций.
Новые поколения бактерий в конечном итоге стали сильнее благодаря своим полезным мутациям и смогли превзойти своих предков в конкуренции.
Тем не менее, процесс ускорения имел свои пределы, что противоречит широко распространенному среди биологов мнению. В какой-то момент многие мутации не обеспечивают более быстрой адаптации.
У Ленски есть теория о том, почему в какой-то момент полезные мутации исчерпывают свою силу. Поскольку кишечная палочка размножается бесполым путем, они не могут сочетать силу мутаций от разных особей. В конце концов оказывается, что два полезных мутанта начинают конкурировать друг с другом и начинают сводить на нет общую пользу для поколения.
Эти результаты, по словам Ленски, также могут помочь объяснить недавние исследования, показывающие, что болезнетворные бактерии могут иметь более высокую скорость мутации, чем их непатогенные аналоги. Одно из возможных объяснений может состоять в том, что патогены часто сталкиваются с узкими местами.
Узким местом является ситуация, когда патогену приходится значительно сокращать размер своей популяции, чтобы обосноваться на новом хозяине. Ленски использует чихание в качестве примера: капелька чихания содержит миллионы вирусов простуды. Иммунная система получателя чиха убьет практически все микробы. Но очень немногие смогли пройти через узкое место.
Это означает, что этим немногим устойчивым вирусам придется быстро размножаться и быстро адаптироваться, чтобы стать полномасштабной простудой, и, вероятно, эти микробы имеют более высокую скорость мутации.
«В случае с болезнетворными бактериями это своего рода гонка вооружений», - сказал Ленски. «Мы хотели бы замедлить нашего противника. Для начала мы хотели бы знать, что контролирует скорость, с которой наш противник адаптируется».
Создание эволюции в пробирке продолжает работу, которую Ленски представил в январе 1995 года в другой публикации Science, используя около 3000 поколений кишечной палочки для «воспроизведения ленты жизни» для воссоздания сценариев эволюции.
К Ленски присоединились к исследованию докторанты Арьян де Виссер и Клиффорд Зейл, аспирант Филип Герриш и Джеффри Бланчард из Орегонского университета.
Исследование частично финансировалось Национальным научным фондом.