Здоров’я Ворожіння на кишковій паличці - свіжі новини України та світу
Отримано свідчення передбачуваності деяких процесів, які відповідають за біологічну різноманітність організмів: у трьох ізольованих колоніях кишкових паличок виявлено однакові мутації у подібній групі генів, повідомляє ukrday.com.
Якщо молекулярна основа життя ДНК, що кодує за допомогою РНК структуру всіх білків і клітинну диференціацію (у разі багатоклітинних організмів), однакова для всіх живих істот, то різноманітність їх форм, що успадковуються, передаються наступним поколінням і одночасно пластичних, що постійно змінюються в ході еволюції, тим не менше менш величезно.
Які причини та механізм біологічного розмаїття, коли один предковий різновид організмів розщеплюється на кілька?
Географічне ізолювання, коли в частинах популяції, які починають адаптуватися до різних екологічних умов, відбувається відбір корисних мутацій та генетичне закріплення різних ознак, традиційно розглядається як один з основних сценаріїв «розщеплення» видів. Але чи може подібне розщеплення відбуватися без ізоляції частин, тобто усередині компактної популяції, яка займає одну екологічну нішу? Теоретично так, і це підтверджують емпіричні спостереження, хоча генетичний механізм подібної диверсифікації виду залишається багато в чому незрозумілим, як невідомо, чи можна, маючи на руках розшифровані геноми, дані фізіології та опис екологічних параметрів передбачати цей процес.
Наприклад, відстежуючи зміни, що відбуваються у кількох популяціях одного виду, що розвиваються ізольовано, але в ідентичних умовах.
Ставити подібні експерименти над вищими тваринами дорого, складно і потребує надто багато часу для накопичення статистики. Завдання сильноспрощується, якщо в якості об'єктів спостереження обрані мікроби, наприклад кишкові палички, які швидко розмножуються і популяції яких, що складаються з генетично ідентичних клітин (так звані моноклональні культури), можна легко ділити, поміщаючи їх в ідентичні, точно регульовані середовища.
Саме таким шляхом — виявити загальний механізм генетичної пластичності, що породжує різні еволюційні результати, тобто різні сценарії диверсифікації клітин всередині моноклональних колоній мікробів, що розвиваються ізольовано, але в однакових стартових умовах, — пішли аситент-професор Університету Монтани Метью Херрон і його колега Майкл Добеллі, професор Університету Британської Колумбії, чию статтю «Паралельна еволюційна динаміка адаптивної диверсифікації Escherichia coli публікує сьогодні PLOS Biology.
Автори поставили серію експериментів над трьома колоніями кишкових паличок, поміщаючи їх у однакове середовище — живильний розчин глюкози та менш апетитного (з погляду бактерії) ацетату глюкози, який складніше переробляти. За 1200 поколінь у колоніях формувався баланс із двох спеціалізованих типів співіснуючих бактерій, чий метаболізм був адаптований до одного з двох поживних ресурсів: одна частина колонії вміла швидко перетравлювати глюкозу, але повільніше переходила на ацетат, інша розмножувалася на глюкозі не так швидко, перемикалася на її пов'язану форму.
Заморожуючи бактерії і розшифровуючи їх геноми в різний час еволюції колоній (1200 поколінь були розділені на 16 інтервалів, що фіксують різні стадії еволюції) Херрон і Добелі на свій подив виявили, що, незважаючи на ізоляцію колоній і різні умови середовища (баланс різних поживних ресурсів) по різномуу всіх трьох випадках) процес внутрішньої диверсифікації супроводжувався подібними і навіть ідентичними мутаціями в їх геномах. Детальний аналіз показав, що в трьох ізольованих популяціях кишкових паличок за зміну фенотипу, тобто біологічна різноманітність, що виникає всередині популяції мікробів, не тільки відповідає більш менш подібний набір генів, а й характер змін, що відбуваються в цих генах, також подібний, що говорить про закономірність у характері мутацій.
Іншими словами, Херрон та Добеллі, маючи на руках розшифровані ділянки великих порцій бактеріальних геномів, отримали свідчення передбачуваності процесу еволюційної диверсифікації організмів.
Передбачуваність мутацій має важливе практичне значення, оскільки дозволить, наприклад, заздалегідь прораховувати, які механізми захисту антибіотиків будуть використовувати мікроби.
Херрон і Добеллі впевнені, що одна з форм природної селекції, а саме частотно-залежний відбір, коли більш рідкісна форма адаптації (наприклад, ацетат-спеціалізовані бактерії) отримує селективну перевагу перед частіше зустрічається (наприклад, глюкозо-спеціалізованою) в ході зміни екологічних умов (Наприклад, зміни балансу харчових ресурсів), відіграє важливу рушійну роль у біологічній диверсифікації організмів, що займають одну екологічну нішу. До того ж сценарій, за яким розвиватиметься диверсифікація, частково генетично детерміновано.
Залишається з'ясувати, чи справедливий цей висновок у разі складніших багатоклітинних організмів.