Простая эволюция: организмы формируют новые функции

Команда исследователей из Университета штата Мичиган зафиксировала последовательный процесс формирования новых функций в организмах

Результаты, опубликованные в новом номере Nature, получены посредством всестороннего, основанного на геномике анализа, который расшифровывает, как бактерия E. coli, которая обычно питается глюкозой, заменяет ее на новое блюдо – цитрат (соль лимонной кислоты).

«Довольно интересно наблюдать за развитием новой биологической функции, - рассказывает Закари Блунт, научный сотрудник в Центре изучения процесса эволюции Университета штата Мичиган. - Первым бактериям, которые питались цитратом, с трудом удавалось расти, но с течением времени им это стало удаваться намного лучше. Мы хотели понять суть изменений, которые позволили бактериям развить эту новую способность. К счастью, у нас была система, которая позволила нам это сделать».

Фото с сайта msu.edu

Нормальная бактерия E. coli не может переваривать цитрат в присутствии кислорода. Фактически, это является отличительным признаком E. coli. Они не могут питаться цитратом, потому что E. coli не продуцируют белок, необходимый для поглощения молекул цитрата.

Чтобы расшифровать ответственные за это мутации, Блунт работал вместе с Ричардом Ленским – известным профессором микробиологии и молекулярной генетики из Университета штата Мичиган. Долгосрочный эксперимент Ленского по выращиванию культуры быстрорастущей E. coli начался в 1988 году и позволил ему и его товарищам по команде изучить более чем 56 000 поколений развития бактерий.

Эксперимент демонстрирует естественный отбор в действии. Благодаря тому, что образцы замораживались и оставались доступными для последующего исследования, когда появлялось что-то новое, ученые могли вернуться к более ранним поколениям, чтобы проследить шаги, которые этому предшествовали.

«Впервые мы увидели бактерии, питающиеся цитратом, приблизительно в 33 000 поколении, - объяснил Ленский. - Но Зак сумел показать, посредством повторного отслеживания эволюции, начиная с различных промежуточных стадий, что к этому времени некоторые важные мутации уже произошли. Повторно бактерии, питающиеся цитратом, могли появиться только после того, как сложились и другие части «паззла».

В журнале Nature Блунт и его товарищи по команде проанализировали 29 геномов из различных поколений, чтобы найти мутационные составляющие. Они раскрыли процесс, состоящий из трех шагов, благодаря которому бактерии развили новую способность.
Первой стадией было потенцирование, когда E. coli претерпел, по крайней мере, две мутации, которые подготовили почву для дальнейших событий. Второй шаг - актуализация - когда бактерии начали есть цитрат, но очень осторожно.

Заключительный этап - доработка - включал в себя мутации, которые значительно улучшили первоначально слабую функцию. Это позволило бактериям-едокам цитрата с жадностью поглощать новый источник пищи и стать доминирующими в популяции».

«Мы были особенно взволнованы на стадии актуализации,- сказал Блунт. - Мутация на этом этапе довольно сложна. Она перестроила часть молекул ДНК бактерий, создав новый регулирующий модуль, который не существовал прежде. Этот новый модуль вызывает производство белка, который позволяет бактериям доставлять цитрат к клетке в присутствии кислорода. Это - новое явление для E. Coli».

Изменение было далеко не обычным, сказал Ленский.

«Это была совсем не типичная мутация, когда в геноме изменяется всего одна пара оснований, один символ, - сказал он. - Вместо этого часть генома была скопирована так, чтобы две части ДНК были соединены вместе по-новому. Одна часть закодировала белок так, чтобы он доставлял цитрат в клетку, а другая часть вызвала продукцию этого белка».

Среди прочих авторов следует отметить Джеффа Баррика из университета Техаса, и Карлу Дэвидсон из университета Кулгари.

Информация предоставлена Мичиганским университетом. Исследование частично финансировалось Национальным научным фондом США.