Лабораторные популяции, которые незаметно накапливают «загадочные» генетические варианты, способны к удивительным эволюционным скачкам, согласно статье, опубликованной в журнале Science от 26 июля. Лучшее понимание загадочных вариаций может улучшить методы направленной эволюции для разработки новых биомолекул для медицинских и других приложений.
Генетическая изменчивость, то есть накопленные мутации в ДНК, является топливом для всех эволюционных изменений: чем больше генетическая изменчивость, тем быстрее работает эволюция и тем больше возможностей для новых адаптивных решений.
Но один вид генетической изменчивости - скрытые или «загадочные» вариации - не изменяет внешний вид или поведение организма в его обычной среде.
«Это недооцененная разновидность генетической изменчивости, - говорит автор корреспондента Андреас Вагнер, биолог-эволюционист из Цюрихского университета и внештатный профессор Института Санта-Фе, - и она играет важную роль в эволюции».
Предыдущая работа показала, что скрытая изменчивость в природных популяциях способствует быстрой эволюционной адаптации. Но основные молекулярные механизмы были неясны.
Чтобы изучить эти механизмы, команда Вагнера работала с популяциями кишечных бактерий E. coli, которые несли плазмиду с геном желтого флуоресцентного белка (YFP). Команда разработала двухэтапный эксперимент. На первом этапе они использовали мутагенную ПЦР для увеличения вариации гена YFP. Одновременно они отобрали узкий диапазон желтой флуоресценции. Любые бактерии, недостаточно желтые, были исключены, процесс, называемый «стабилизирующим отбором». Таким образом, они создали глубокие запасы скрытых генетических вариаций, не изменяя желтый цвет белка YFP.
На этапе 2 команда изменила правила отбора и начала отбор E. coli, флуоресцирующих в зеленой части спектра («направленный отбор»). Они также представили контрольные популяции E. coli, в которых отсутствовали усиленные криптические вариации YFP. Клеточные линии E. coli с запасами скрытых вариаций развили зеленый флуоресцентный белок (из генов YFP), который был более зеленым и генетически более разнообразным, чем любой, продуцируемый контрольными линиями E. coli.
В эксперименте, говорит соавтор Джошуа Пейн (ETH Zurich), загадочная изменчивость не только ускоряла эволюционную адаптацию. Клеточные линии с глубокими запасами скрытой изменчивости развили более зеленые белки YFP, формы белка, которые были недоступны для обычных бактерий, и они развились несколькими уникальными путями, недоступными для обычных бактерий E.кишечная палочка.
Текущая эволюция, управляемая лабораторией, часто приводит каждый раз к одним и тем же эволюционным результатам. Новая работа показывает, как накопление загадочных вариаций может открыть двери в недоступные иным образом области пространства белковых последовательностей, говорит первый автор Цзя Чжэн, научный сотрудник Цюрихского университета.
В дикой природе загадочная изменчивость помогает рыбам адаптироваться к жизни в пещерах. В лаборатории загадочная вариация может помочь биомолекуле связать новый рецептор. «Наша работа может помочь разработать новые стратегии направленной эволюции для поиска инновационных биомолекул для биотехнологических и медицинских приложений», - говорит Чжэн.
Подобно жирному сберегающему счету, загадочная вариация - это хранилище вариаций, которое становится доступным в чрезвычайной ситуации для подпитки быстрых эволюционных изменений, критически важных для выживания рода и полезных для молекулярных биологов.