U dugogodišnjem eksperimentu zabilježena je fazna formacija evolucijske inovacije • Alexander Markov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Evolucija, mikrobiologija, genetika

U dugogodišnjem eksperimentu zabilježena je faza formiranja evolucijske inovacije.

Sl. 1. Evolucijska povijest Ara-3 populacije, u kojoj su bakterije naučile jesti citrat. Brojevi s lijeve strane – generacije. krugovi Na stablu je naznačeno 29 klonova čiji su genomi sekvencionirani. Višebojna područja Postoji pet glavnih blaga (evolucijske linije): UC ("neuspješna clade", brzo izumrla rana linija), Clade 1, Clade 2, Clade 3 ("Potentiated" clades s povećanom vjerojatnost pojave Cit fenotipa+, tj. sposobnost jesti citrata), Novi cit+ clade – blago koje se može hraniti citratom, izvedeno iz clade 3 nakon 31.000 generacija (cit+ razvija se). Nakon 33.000 generacija u bakterijama, Cit+ došlo je do mutacije koja dramatično povećava brzinu mutagenezeMutator se razvija). Na vrhu slike pokazuje rezultate ponovljenih evolucijskih eksperimenata (Ponovne) s zamrznutim predstavnicima blaga 1, 2 i 3. Predstavnici clade 1 razvili su Cit fenotip+ u dva slučaja od 55 pokušaja, clade 2 – u dva slučaja od 97, clade 3 – u osam slučajeva od 37. Predstavnici izvornog pretke imaju zanemarivu vjerojatnost pojavljivanja Cit fenotipa+. Grafikon u donjem desnom kutu pokazuje brzinu akumulacije mutacija, dramatično povećanu u bakterijama Cit+ (crvene krugovenakon pojave fenotipa mutatorski, Slika iz raspravljanog članka u priroda

Tijekom dugogodišnjeg evolucijskog eksperimenta na bakterijama E. coli u jednoj od 12 eksperimentalnih populacija nakon 31.000 generacija, pojavila se nova korisna značajka – sposobnost jesti citrat pod aerobnim uvjetima. Kao što se ispostavilo, formiranje evolucijske inovacije odvija se u tri faze. U prvoj fazi ("potencijacija"), fiksirane su mutacije koje pomažu u korištenju citrata ako je u stanici. Ponovljeni pokusi s odmrznutim predstavnicima generacija predaka pokazali su da postoje najmanje dvije potencijalne mutacije: jedna se pojavila nakon 15.000 generacija, a druga nakon 20.000. U drugoj fazi ("aktualizacija"), regulacija gena promijenila se citTodgovoran za apsorpciju citrata iz vanjskog okoliša. Kao rezultat toga, gen je počeo raditi u prisutnosti kisika, iako normalno E. coli Radi samo pod anaerobnim uvjetima. To je dovelo do pojave blage, "rudimentarne" sposobnosti korištenja citrata u hrani. Konačno, na stupnju "kultiviranja", nova je funkcija više puta bila poboljšana zbog nekoliko dupliciranja (udvostručenja) fragmenta kromosoma koji nosi aktivirani gen. citT, Tek nakon toga broj mutiranih bakterija povećavao se i postaodominiraju svojim stanovništvom. Vjerojatno je takav fazni razvoj također karakterističan za ostale evolucijske inovacije.

"Elementi" već su govorili o dugoročnom evolucijskom eksperimentu koji je 1988. godine pokrenula međunarodna skupina istraživača na čelu s Richardom Lenskom (vidi Richard E. Lenski) – vidi: Rezultati evolucijskog eksperimenta koji su dugi 40.000 generacija sažeti su, Elements, 02.11.2009; U dugoročnom evolucijskom eksperimentu otkriveno je selekcija za "evolucijsku perspektivnost" i "Elements", 25.03.2011.

12 eksperimentalnih populacija E. coli (E. coli) žive pod aerobnim uvjetima u prozirnom tekućem mediju, gdje je glukoza jedina hrana. Uz interval od jednog dana, mali dio se uzima iz svake populacije i transplantira u novu tikvicu s hranjivim medijem. Tamo se bakterije brzo razmnožavaju dok se rezerve glukoze ne iscrpe. Dakle, tijekom svakog dnevnog ciklusa, početno razdoblje obilja, kada se broj stanovnika brzo povećava (broj procjenjuje zamućenje okoliša), zamjenjuje se razdobljem gladi, kada se bakterije prestanu množiti i njihov se broj stabilizira.

Nakon 31.000 generacija u jednoj od 12 populacija (simbol je Ara-3), dogodilo se nešto čudno. Njezin broj je nastavio rasti nakon što je sva glukoza u bocu bila pojedena.Do kraja dnevnog ciklusa, veličina populacije Ara-3 bila je mnogo veća nego u ostalim populacijama. Očito je da su mikrobi naučili koristiti hranu neke tvari koja je dio okoliša, ali ne poslušna za obične crijevne štapiće.

Uskoro su Lenski i njegovi kolege otkrili da su bakterije iz Ara-3 populacije stekle sposobnost jesti citrat (limunska kiselina). Citrat se dodaje u medij kao ekscipijent (kelatni agens). Normalne bakterije E. coli sposobna apsorbirati citrat samo pod anaerobnim uvjetima. Nemogućnost jesti citrata u prisutnosti kisika jedna je od konačnih svojstava ove vrste bakterija. Dakle, sadašnja "evolucijska inovacija" pojavila se u Ara-3 stanovništvu – nova korisna osobina (autori su ga odredili Cit+), promijenio odnos organizma s okolinom i dopustio da mutirane bakterije poveća svoj broj i postanu dominantne u populaciji. Znatiželjan da bakterije cit+ nije se gurnuo do kraja bakterija Citkoji jedu samo glukozu. Možda se njihovo dugoročno miran suživot objašnjava odvajanjem niša, ali to je ipak samo hipoteza.

Dizajn dugogodišnjeg eksperimenta omogućuje nam praćenje formiranja evolucijske inovacije u svim genetskim detaljima. Bilo je za rješavanje takvih problema da je eksperiment postavljen. Neki pripadnici svake populacije periodički su zamrznuti. To ne šteti zdravlju mikroba. U bilo kojem trenutku mogu se odmrznuti i koristiti za ponovljene eksperimente. To osobito omogućuje procjenu vjerojatnosti evolucijskog događaja: koliko je slučajna ili redovita.

Autori su slijedili genome 29 bakterija iz Ara-3 populacije, smrznute u različita vremena. To nam je omogućilo da izgradimo evolucijsko stablo, prikazano na sl. 1. Pokazalo se da je populacija ostala genetski različita tijekom gotovo cijele svoje povijesti. Kao rezultat mutacija i selekcije iz jednog predaka klona, ​​dobiveni su nekoliko genetski različitih linija (blago), ali nisu se žurili da se međusobno izoliraju. Najvjerojatnije, to znači da je većina genetskih razlika između krakova bila neutralna, tj. Nisu utjecala na fitnes (au nekim slučajevima, kao što je već spomenuto, mogu se dogoditi međusobnu prilagodbu i podjela niša).

Istraživači su identificirali određenu genetsku promjenu koja je omogućavala bakterijama da jedu citrat. Cit mikroba pretvorena u cit+ zbog dvostrukog kopiranja fragmenta kromosoma koji sadrži gen citT (Slika 2). Ovaj gen kodira protein koji transportira citrat iz vanjskog okoliša u citoplazmu bakterijske stanice. normalno, E. coli gen citT aktivan samo u anaerobnim uvjetima. Međutim, kao rezultat dupliciranja, jedna od dvije kopije citT pod kontrolom promotora drugog, susjednog gena (RNK). Pomoću eksperimenata genetskog inženjeringa, autori su pokazali da je promotor gena RNK osigurava rad gena koji kontrolira u aerobnim uvjetima.

Sl. 2. Tandem dupliciranje, što je dovelo do sposobnosti hranjenja citrata u bakterijama iz Ara-3 populacije. i – zemljište kromosoma soje pretke, b – isto područje nakon umnožavanja. strijela i ušice promotori gena su naznačeni RNA i RNK, osiguravajući rad tih gena u aerobnim uvjetima. Kao rezultat umnožavanja gena citTkoji kodira transporter citrata, bio pod kontrolom promotora gena RNK i počeo se izraziti u prisustvu kisika.Slika iz raspravljanog članka u priroda

Nakon što su se bavili prirodom ključne mutacije, autori su postavili sljedeće pitanje: je li pojava Fenotipa Cita?+ u pljeskom 3, je Ara-3 populacija potpuno slučajna? Je li se ovaj događaj mogao dogoditi s istim uspjehom u drugom čladu ili u drugoj populaciji, ili je li ga pripremila prijašnja evolucija ovog cladea? U potrazi za odgovorom, autori su proveli ponovljene evolucijske eksperimente s odmrznutim predstavnicima krakova 1, 2 i 3, kao i s izvornim (preciznim) sojem.

Ispalo je da je predaka soj vjerojatnosti pojavljivanja fenotipa Cit+ zanemariv. Predstavnici clade 1 razvili su ovaj fenotip u dva ponovljena eksperimenta od 55. Mikrobi od clade 2 naučili su jesti citrat u dva slučaja od 97. Konačno, bakterije iz clade 3 stekle su ovu sposobnost u osam slučajeva iz 37 ponavljanih eksperimenata.

Stjecanje Cit Fenotipa+ u svim slučajevima zbog činjenice da je gen citT počeo se izraziti u aerobnim uvjetima. Ali taj je rezultat ostvaren na različite načine. U smislu ponovljenih eksperimenata, kao iu glavnom dugoročnom eksperimentu, došlo je do dvostrukog dupliciranja zbog čega citT Kontrolira ga aerobni promotor.Ali granice dvostrukih stranica u različitim slučajevima bile su različite, a promotor, koji je preuzeo upravljanje genom citTnije uvijek bio promotor gena RNK: u jednom je slučaju bio promotor gena RNA, U nekoliko ponovljenih pokusa, isti je učinak postignut bez duplinacije – zahvaljujući ugradnji pokretnog genetskog elementa IS3 u kodirajući dio gena citGkoji se nalazi pokraj vrata citT (lijevo). Ovaj mobilni element jednostavno ima odgovarajući promotor.

Ponovljeni pokusi pokazali su da je vjerojatnost stjecanja korisne osobine Cit+ postupno se razvijao u seriji "predaka savijača 1 i 2 – clade 3". Stoga, izgled ove značajke u Clade 3 nije bio puka slučajnost. Mikrobi su unaprijed pripremljeni za to – "potencirani". Drugim riječima, imali su neke mutacije fiksirane tijekom prethodne evolucije koje sami nisu dale priliku da jedu citrate, već su povećale vjerojatnost razvoja ove sposobnosti u budućnosti. Naravno, "potenciranje" mutacija nije bila fiksirana jer mikroorganizmi unaprijed planiraju evoluciju. Ove mutacije bile su neutralne i slučajno su bile zaključane, ili su bile korisne za nešto drugo.Priprema za stjecanje sposobnosti jesti citrata bila je nuspojava koja prirodna selekcija nije mogla predvidjeti.

Koje mutacije karakteristične za clade 3 igraju ulogu "potencijalnika" još nisu uspostavljene. Dobar kandidat je mutacija u genu. arcB, jer oštećenje ovog gena aktivira ciklus trikarboksilne kiseline – biokemijski put koji omogućuje stanici da efikasno koristi citrat (ako ga stanica iznenada može dobiti negdje u velikim količinama). Možda oštećenja gena arcB pretvorene mutacije koje aktiviraju prijenos citrata u stanicu, od neutralnih ili štetnih do korisnih? Pretpostavka je vjerojatna, ali autori još nisu uspjeli potvrditi eksperimentalno.

Međutim, uspjeli su to potvrditi neki Genetska svojstva clade 3 zapravo čine sposobnost apsorbiranja citrata iz vanjskog okoliša korisnijom. Kako bi se uvjerili u to, umetnuli su nekoliko primjeraka gena u predstavnike pretke i blaga 1-3. citT pod kontrolom aerobnog promotora. Drugim riječima, dali su mikrobima sposobnost da apsorbiraju citrat iz vanjskog okruženja – i oni su gledali da li bi ta sposobnost imala koristi od njih.

Predstavnici svih genetski modificiranih sojeva stekli su sposobnost hranjenja citratom, ali u vrlo različitoj mjeri. Mikrobi od clade 3 učinili su to najbolje od svega: brzo su se prebacili iz glukoze u citrat i dobro su rasli na čistom citratu. Mikroba iz blaga 2 i 1 imali su puno veći poraz: trebali su više vremena za prebacivanje, a sporije su rasli na citrat. The ancestral soj koristi citrat čak i manje učinkovito. Za prebacivanje na napajanje s citratom nakon iscrpljivanja rezerve glukoze trebalo je oko dva dana. Usput, to znači da u dugotrajnom eksperimentu neće dobiti nikakvu korist od mutacije koja je stvorila Cit fenotip+ u cladeu 3: nitko mu ne bi davao dva dana da razmišlja o tome, jer su bakterije transplantirane u novu okolinu sa glukozom svaki dan.

Ovi rezultati, kao i statistika ponovljenih evolucijskih eksperimenata, pokazuju da je "potencijacija" održano najmanje u dvije faze. Vjerojatnost stvaranja fenotipa Cit+ rastao je u prijelazu iz pretke s predjelima do krakova 1 i 2 i ponovo se povećao kada je formirana clade 3.

Zanimljivo je da su prvi predstavnici Ara-3 populacije, u kojima je nakon generacije br. 31.000 Cit fenotip registriran+, citrat je još uvijek bio vrlo neučinkovit, iako su već imali "potenciranje" mutacije i tandem dupliciranje prikazano na sl. 2b. Nova je funkcija u početku izuzetno manjkava i dala jedva primjetnu prednost. U daljnjem razvoju, učinkovitost korištenja citrata cit+ brzo se razvijao. Autori su uspjeli dešifrirati jedan od mehanizama za poboljšanje: DNA fragment s aktiviranim genom citT jednostavno je prošao još nekoliko dupliciranja. To je, očigledno, ubrzalo apsorpciju citrata iz vanjskog okruženja.

Dakle, formiranje evolucijske inovacije dogodilo se u tri faze. U prvoj fazi (potencijacija, potenciranje) mutacije, što je povećalo vjerojatnost znaka u budućnosti. U drugoj fazi (ažuriranje, aktualizacija), a potkrijepljen je odabirom ključne mutacije koja je pretvorila mikrobe Cit u cit+, Istina, u početku novi znak bio je slabo definiran i gotovo nije donio nikakve koristi. Na završnoj, trećoj fazi (poboljšanje, uglađenost) postupno optimizirati. Kao rezultat toga, njegova korisnost je narasla mnogo puta.

Poboljšanje je proces koji može dugo trajati. Međutim, događaji koji su se dogodili u Ara-3 populaciji nakon generacije br. 35.000 teško je analizirati.U ovom trenutku među mikroorganizmima cit+ proširila se mutacija koja povećava stopu mutageneze za oko 20 puta mutatorski). Takvi "mutati" pojavljuju se ne samo u Ara-3, već i u nekoliko drugih populacija. Da biste pronašli među stotinama novih mutacija, one koje se odnose na poboljšanje citratne prehrane još uvijek predstavljaju težak zadatak. Međutim, zamrznute bakterije nisu u žurbi i tiho će čekati pojavu novih tehnika i uređaja za istraživanje.

izvor: Zachary D. Blount, Jeffrey E. Barrick, Carla J. Davidson, Richard E. Lenski. Analiza ključne inovacije u populaciji Escherichia coli // eksperimentalni // priroda, Objavljeno online 19. rujna 2012.

Vidi također:
1) Rezultati evolucijskog eksperimenta s dužinom od 40.000 generacija, "Elementi", 02.11.2009.
2) U dugoročnom evolucijskom eksperimentu otkriven je izbor za "evolucijsku perspektivu", "Elements", 25.03.2011.
3) Multifunkcionalni geni – osnova za evolucijske inovacije, "Elementi", 06/30/2008.

Aleksandar Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: