Ученые кафедры биохимии Висконсинского университета в Мэдисоне наблюдают за эволюцией в режиме реального времени.
В недавнем исследовании, опубликованном онлайн в Journal of Bacteriology, профессор биохимии Майкл Кокс и его команда описывают воздействие ионизирующим излучением на бактерии E. coli раз в неделю, в результате чего бактерии становятся устойчивыми к радиации. При этом они обнаружили генетические мутации и механизмы, лежащие в основе этой устойчивости.
Результаты показывают, как можно создать радиационно-устойчивые бактерии для различных целей в будущем, включая очистку окружающей среды и защиту полезных кишечных микробов во время лучевой терапии рака.
Лаборатория Кокса долгое время интересовалась репарацией ДНК, клеточным процессом, с помощью которого все организмы способны собирать воедино кусочки ДНК, которые были разрушены стрессами, такими как ионизирующее излучение. Этот тип излучения имеет высокую энергию по своей природе и связан с ядерным излучением и такими элементами, как уран и плутоний. Космонавты также подвергаются воздействию этой формы радиации в космосе. Он встречается в более низких дозах при некоторых методах лечения рака и в некоторых медицинских изображениях, таких как рентгеновские лучи.
Некоторые организмы, в основном бактерии, обладают естественной устойчивостью к высоким уровням ионизирующего излучения. Однако многие из них, как известно, трудно изучать, и о них мало что известно, особенно по сравнению с E. coli. Это привело к тому, что команда Кокса обратилась к другому способу изучения радиационно-устойчивых бактерий - к созданию собственных.
Их эксперимент по «направленной» эволюции прост. Ведущий автор и научный сотрудник Стивен Брукбауэр разделил популяцию E.coli на четыре группы. Раз в неделю он и группа студентов-исследователей используют оборудование Департамента медицинской физики, чтобы облучать каждую популяцию ионизирующим излучением до тех пор, пока не погибнет 99 процентов клеток. Затем они выращивают выживших - один процент, который лучше всего сопротивлялся радиации - в культуре. Большинство новых бактерий, которые вырастают из них, несут полезные мутации для устойчивости к радиации.
«Появляется много мутаций, которые могут не иметь отношения к приданию резистентности и просто необходимы», - объясняет Кокс. «Мы разделили популяцию на четыре части, чтобы мы могли сравнить мутации в нескольких популяциях, проверить закономерности и попытаться определить основные факторы устойчивости к радиации».
Со временем, когда бактерии стали устойчивыми, исследователи смогли увеличить уровень радиации, которой они подвергают бактерии. Исследование глубоко погружается в мутации, которые они накопили после 50 циклов (это означает, что бактерии были облучены 50 раз).
Анализ последовательности, проведенный сотрудниками группы UW-Madison в Объединенном институте генома при Министерстве энергетики США, выявил мутации в нескольких генах, ответственных за более эффективную репарацию ДНК в E. coli. помогите вызвать сопротивление. Другая мутация произошла в РНК-полимеразе, ферменте, ответственном за транскрипцию РНК в ДНК, которая в конечном итоге используется для создания важных белков.
Хотя общие механизмы, такие как усиленная репарация ДНК, такие же, как и у естественно устойчивых бактерий, многие мутации, вызвавшие эти изменения, никогда раньше не наблюдались. Брукбауэр добавляет, что помимо репарации ДНК и изменений в РНК-полимеразе могут возникнуть совершенно новые способы устойчивости.
«Эти механизмы для обеспечения устойчивости - это только те, которые мы видели», - говорит он. «Интересно думать о новых возможностях, которые мы еще не определили или которые еще даже не развились. В природе наблюдаются и другие механизмы, которые, как мы ожидаем, рано или поздно появятся, но затем могут начать развиваться новые».
В настоящее время группа проходит 125-й цикл отбора и планирует изучить генетику будущих контрольных циклов, чтобы увидеть, насколько устойчивыми могут стать бактерии.
Хотя устойчивые к радиации бактерии существуют в природе, их полезность для различных приложений может зависеть от конкретных мутаций, которые они хранят. Кокс объясняет, что пытаться создать такую бактерию, не зная об этих мутациях и о том, как они функционируют для улучшения систем восстановления клеточной ДНК, было бы чрезвычайно сложно..
Радиационно-устойчивые бактерии потенциально могут быть использованы в качестве пробиотиков, чтобы облегчить некоторые побочные эффекты лечения рака и помочь в очистке мест захоронения ядерных отходов. Кроме того, НАСА обеспокоено воздействием радиации на астронавтов в космосе, и работа Кокса может раскрыть механизм, с помощью которого они могли бы быть лучше защищены.
«Мы обнаружили, что E. coli и другие чувствительные к радиации организмы обладают этой скрытой способностью становиться высокорезистентными к радиации с помощью модификаций нескольких существующих белков репарации ДНК», - говорит Брукбауэр. «Насколько нам известно, в лаборатории никто не делал ничего столь устойчивого к радиации. Это отличный пример того, как жизнь приспосабливается».