Бактерии и вирусы в гонке вооружений демонстрируют быструю и сложную эволюцию

Эволюцию, как её представлял Чарльз Дарвин в XIX веке, обычно считают медленным, постепенным процессом. Однако биологи могут наблюдать эволюционные изменения на гораздо более ускоренных временных масштабах в лаборатории.

Постдокторант Джошуа Борин и адъюнкт-профессор Джастин Мейер из Калифорнийского университета в Сан-Диего изучают быстрые эволюционные процессы в простых лабораторных колбах. Они поместили бактерии (Escherichia coli) и вирусы (бактериофаги, или «фаги») вместе в закрытую колбу объёмом в две чайные ложки, чтобы наблюдать коэволюцию в действии.

Когда вирусы заражают бактерий, те развивают новые защитные механизмы. Вирусы, в свою очередь, эволюционируют, чтобы обойти эти защиты. Всего за три недели эта ускоренная гонка вооружений приводит к нескольким поколениям эволюционных адаптаций. Новые результаты, опубликованные в журнале Science, показывают возникновение отчётливых эволюционных паттернов.

«В этом исследовании мы показываем силу эволюции, — сказал Мейер. — Мы видим, как коэволюция бактерий и фагов ведёт к возникновению высокосложной экологической сети. Эволюции не обязательно быть медленной и постепенной, как думал Дарвин».

По мере адаптации бактерий и вирусов друг к другу со временем проявились два основных повторяющихся паттерна:

• Вложенность (nestedness): узкие взаимодействия между специализированными бактериями и вирусами «вложены» в более широкий спектр взаимодействий генералистов.
• Модульность (modularity): взаимодействия между видами формируют модули внутри специализированных групп, но не между группами.

«Мы были поражены, обнаружив, что наш эволюционный эксперимент в крошечных колбах воспроизвёл сложные паттерны, ранее наблюдавшееся у бактерий и фагов, собранных в региональных и трансоокеанских масштабах», — сказал Борин.

Мейер отмечает, что наблюдение этих эволюционных процессов «в действии» подчёркивает силу эволюции, которую часто недооценивают. Быстрая эволюция патогенов продолжает формировать наш мир, что наглядно демонстрирует появление новых штаммов SARS-CoV-2.

«Мы показываем, что эволюция может быстро создавать сложные экологические сети практически без внешней помощи», — сказал Мейер.

В смежной работе Мейер и соавтор исследования профессор Джошуа Вайц из Университета Мэриленда используют искусственный интеллект, чтобы изучить, как фаги могут быть использованы в условиях растущего кризиса антибиотикорезистентности. Исследование также включает новый проект при поддержке Медицинского института Говарда Хьюза по изучению «гигантских» (jumbo) фагов в качестве потенциальных терапевтических агентов.