Божественная многоходовочка

Как самый долгий биологический эксперимент породил новое существо

Изображение: Chris Bickel / Science Translational Medicine

Вопрос о том, существует ли эволюция, давно не волнует ученых. Доказательств так много, что лишь далекие от науки люди продолжают отстаивать идеи креационизма. Одним из основных аргументов является успешное наблюдение эволюционных процессов в лаборатории. Однако цель долговременного эксперимента по эволюции кишечной палочки, E.coli, — не победа в споре над гипотезой разумного замысла, а выявление механизмов развития жизни на Земле. «Лента.ру» рассказывает о новой работе, опубликованной молекулярными биологами в журнале Nature.

Долговременный эксперимент по эволюции E.coli — попытка ученых в экспериментальных условиях наблюдать эволюционные процессы. Может возникнуть вопрос, почему для этих нужд ученые использовали именно кишечную палочку, а не собаку или лошадь? Одна из причин в том, что E.coli очень быстро размножается. Другая особенность, делающая бактерию удобной для исследований, — небольшой размер генома, который позволяет достаточно быстро определить, какие мутации возникают в генах со сменой поколений. Кроме того, E.coli можно без вреда для нее заморозить на длительное время.

Эксперимент под руководством микробиолога и молекулярного генетика Ричарда Ленски из университета штата Мичиган начался 24 февраля 1988 года. Был взят штамм кишечной палочки Bc251, который в рамках исследования назывался «предковым». Из него сделали 12 отдельных популяций, при этом половина из них (Ara−) была неспособна усваивать арабинозу. Каждая популяция получила обозначение: от A+1 до A+6 и от A−1 до A−6. Популяции размножались в искусственных условиях, при этом каждый день часть бактерий переносилась на свежую питательную среду. Через каждые 75 дней (за это время сменялось примерно 500 поколений) бактерии замораживались в глицерине для дальнейших исследований.

Однако эволюционисты занимаются не только установлением фактов возникновения мутаций, они стараются выяснить закономерности эволюции. Например, применяя методы сравнительной геномики, при которых сравниваются геномы различных организмов, можно выявить механизмы, отвечающие за появление полезных приспособлений. Ученых интересует, какая доля мутаций является потенциально полезной. Для ответа на этот вопрос нужно объединить сравнительную геномику с «эволюцией в пробирке». Масштаб задачи станет очевидным, если представить все, что необходимо сделать. Во-первых, нужно проследить за всеми мутациями, которые имели место в течение тысяч поколений. Во-вторых, нужно понять, какие из них были нейтральными, то есть никак не повлияли на выживаемость организма, какие вредными, а какие — полезными. Чтобы это сделать, надо сравнить различные линии организмов с мутациями и без них.

Ученые уже предпринимали попытки провести подобные эксперименты, однако главный недостаток их исследований заключается в том, что они являются относительно кратковременными. В результате можно выяснить, что происходит с адаптациями, лишь на самых ранних этапах их развития, при этом очень трудно отличить драйверные мутации от мутаций-«пассажиров». Можно пояснить это на простом примере. Драйверная мутация, возникшая в определенном гене, усиливает активность кодируемого им белка, что дает организму преимущества в выживании. Этому гену будет благоприятствовать естественный отбор, однако в этом гене могут возникнуть мутации, которые никак не влияют на функции белка. В результате бесполезные изменения будут сохраняться и распространяться, подобно безбилетникам. Нужно много времени и несколько эволюционирующих популяций, чтобы отличить одну мутацию от другой, дождавшись, когда одна из них возникнет в отдельности от другой, и посмотрев, к чему это приведет.

Долговременный эксперимент по эволюции E.coli оказался удобной платформой для того, чтобы решить данную проблему. Ученые под руководством Ричарда Ленски проанализировали полные геномы 264 клонов из 12 популяций, в которых, в конечном итоге, сменилось 50 тысяч поколений. Предварительные результаты продемонстрировали, что приспособленность микроорганизмов, которая определяется как скорость роста популяции, увеличилась на 70 процентов по сравнению с той, что была у предкового штамма.

Молекулярные биологи расшифровали геномы кишечных палочек, принадлежащих поколениям 500, 1000, 1500, 2000, 5000, 10 000, 15 000, 20 000, 30 000, 40 000, 50 000, с помощью метода секвенирования нового поколения. Всего было найдено более 14 тысяч мутаций, которые привели к потере 1,4 процента общего генома. При этом на половину популяций (Ara−1, Ara−2, Ara−3, Ara−4, Ara+3 и Ara+6) приходилось 96,5 процента точечных мутаций (мутаций, затрагивающих один нуклеотид). Это объясняется тем, что некоторые изменения в генах привели к нарушению процессов восстановления поврежденной ДНК, в результате чего скорость мутирования у этих штаммов значительно повысилась. Склонность к мутациям также придавали IS-элементы (Insertion Sequence) — короткие фрагменты ДНК, которые способны перемещаться и размножаться внутри генома, не выполняя никакую полезную функцию. Например, в популяции Ara+1 31,8 процента мутаций представляли собой вставки IS-элементов, а у популяции Ara−5 (поколение 30 000) доля этого же типа мутации достигала 38,7 процента.

Ученые отмечают, что склонность к генетическим изменениям лишь незначительно повышала приспособляемость организма, поскольку в то же время увеличивалось число не только полезных, но и вредных мутаций. В гипермутированных E.coli отличить полезные генетические изменения от моря остальных мутаций (нейтральных и негативных) становится очень затруднительно. Поэтому исследователи обратили свое внимание на популяции, где скорость генетических изменений осталась на предковом уровне. На основе данных они построили модель зависимости между временем и числом полезных мутаций, которая позволяла точно предсказать уровень приспособленности у микроорганизмов из поколения 50 000. Чтобы снизить влияние статистической неопределенности, биологи обратились к дополнительным доказательствам.

Во-первых, так как нейтральные мутации не оказывают никакого влияния на приспособляемость, на них не действует естественный отбор, поэтому скорость их накопления должна быть сравнима с общей частотой мутаций. К таким генетическим изменениям, в частности, относят синонимичные замены, при которых изменение одного нуклеотида в гене на другой не приводит к замене аминокислоты в белке. Ученые рассчитали, во сколько раз несинонимичные мутации накапливаются быстрее, чем синонимичные. Результаты показали, что после 500-го поколения скорость была больше в 17,1 раза, а после 50 000-го — в 3,4 раза. Это говорит о том, что большинство несинонимичных мутаций были полезными и повышали приспособляемость организмов.

Исследователи также выяснили, что большинство мутаций, произошедших в ранних поколениях, были драйверными и оказывались полезными для кишечной палочки. С течением времени их доля снижалась, однако они не пропадали полностью.

Авторы статьи подчеркивают, что штаммы E. coli, участвующие в долговременном эксперименте, могут отличаться от многих природных популяций в важных аспектах, включая низкую частоту мутаций, отсутствие полового размножения и стабильные условия окружающей среды. Эффекты, которые могут накладывать неучтенные факторы на скорость накопления различных видов мутаций, должны быть учтены в будущих экспериментах.