Сергей Маслов, профессор биоинженерии и физики Университета Иллинойса, видит «вселенную в песчинке». Его исследования направлены на изучение этой вселенной, фокусируясь на геномном разнообразии ее составляющих: миллионах микробов, которые процветают и размножаются в ней.
Недавнее исследование Маслова, опубликованное в Genetics, изучало динамику, управляющую этим разнообразием, путем моделирования воздействия нескольких различных факторов на эволюцию последовательности генома. Соавторами исследования были бывшие сотрудники лаборатории Маслова, Пурушоттам Диксит, ныне научный сотрудник Колумбийского университета, и Тин Яу Панг, ныне научный сотрудник Дюссельдорфского университета. Вместе Диксит, Панг и Маслов, который также является научным сотрудником факультета Блисса и членом Института геномной биологии Карла Р. Вёзе и Национального центра суперкомпьютерных приложений, прояснили условия, которые либо удерживают бактериальный вид сплоченным, либо подталкивают его к разнообразие.
Настоящая работа возникла в результате случайного общения между Масловым и его коллегой Ф. Уильямом Штудиером, биологом из Брукхейвенской национальной лаборатории. Стадиер и другие исследовали последовательность генома различных штаммов кишечной палочки и были заинтригованы наблюдением, что некоторые области генома резко различаются - больше, чем ожидалось случайно - по количеству различий в последовательностях между двумя штаммами.
Маслов был вовлечен в загадку, представленную этим открытием, и в конечном итоге помог группе прийти к выводу, что области с очень разными последовательностями можно объяснить рекомбинацией, механизмом, который позволяет бактериальным клеткам получать фрагменты ДНК от своих соседей и встраиваться в них. их в свои собственные геномы.
«Я компьютерный человек, поэтому меня действительно мотивирует не область, а обязательно интерес к проблемам. Так что, если это головоломка, я люблю разгадывать ее, если это возможно», - сказал Маслов. Даже после того, как работа Штудиера была опубликована, Маслова продолжали волновать вопросы, поставленные этим открытием. «Мы хотели понять, как формируются виды бактерий и какие силы поддерживают их связность».
Физик по образованию, Маслов ставит этот вопрос в терминах космологии: как во вселенной микробов происходят мутации, случайные ошибки в последовательности генома, которые расширяют изменчивость, обнаруживаемую внутри штамма, по сравнению со связывающим «гравитационным сила» рекомбинации? Он и его соавторы решили ответить на этот вопрос с помощью постоянно растущей общедоступной базы данных бактериальных геномных данных.
"Сразу после события рекомбинации два бактериальных генома становятся идентичными для части их геномной последовательности, что означает, что они в некотором смысле ближе друг к другу… [но] если у вас есть две бактериальные последовательности, которые также расходились далеко друг от друга, они просто теряют способность рекомбинировать друг с другом», - сказал Маслов. «Наша цель состояла в том, чтобы попытаться понять проблему сохранения видов бактерий в более общем плане».
Маслов и его соавторы разработали вычислительную модель, которая охватывала основные элементы эволюции бактерий: существующий уровень геномного разнообразия между парами особей в популяции, скорость случайных мутаций и способность к рекомбинации. Модель количественно определила отношения между всеми этими факторами, поскольку они влияют на последовательность генома в популяции бактерий. Исследователи обнаружили, что баланс между этими факторами создает довольно резкое разделение между двумя отдельными состояниями - метастабильностью и дивергенцией.
Основные параметры, которые оказываются важными… это частота, с которой конкретный геномный организм рекомбинирует с представителями своего собственного вида, и общий размер популяции, так что в зависимости от этих двух переменных вы можете иметь два режима, либо режим, при котором рекомбинация происходит достаточно часто, чтобы получился целостный вид, который долго остается вместе, либо такой режим, когда он распадается на подвиды», - сказал Маслов.
Другими словами, частые события рекомбинации могут удерживать популяцию бактерий в метастабильном состоянии, в котором видообразование маловероятно даже в течение многих поколений. Большая популяция, в которой частота мутаций может перевешивать гомогенизирующие эффекты рекомбинации, будет быстро расходиться. Но Маслов подчеркивал, что в течение достаточно длительного времени видообразование столь же неизбежно, как и расширение Вселенной.
«Рано или поздно произойдет странная авария, потому что в тот момент, когда генетическое расстояние между двумя видами превышает определенный порог, они фактически теряют способность к рекомбинации», - сказал он.«Новые виды будут формироваться - так что вопрос скорее в том, как долго будет жить данное существо, которое мы в настоящее время называем бактериальным видом».
Выясняя основные особенности видообразования бактерий, эта работа затрагивает фундаментальные вопросы эволюции и в конечном итоге может способствовать усилиям по отслеживанию и предотвращению развития лекарственной устойчивости или вирулентности у болезнетворных патогенов.