Бактерии могут извлекать выгоду из генетического материала других бактерий

Бактерии способны обмениваться генетическим материалом между собой — даже между разными видами. Эта передача генетической информации, известная как горизонтальный перенос генов, происходит между организмами, живущими в одно время, а не от предка к потомку. Исследователи из Института биологической физики Кёльнского университета, систематически оценивая влияние такого переноса на приспособленность (фитнес), обнаружили, что могут предсказать, ускорит ли он адаптацию к определённым условиям роста.

Учёные создали серию гибридов бактерии Bacillus subtilis и родственных видов с помощью горизонтального переноса генов. Затем они протестировали способность этих бактерий адаптироваться к факторам окружающей среды, таким как температура и доступность пищи. Результаты представлены в статье "Distribution of fitness effects of cross-species transformation reveals potential for fast adaptive evolution", опубликованной в The ISME Journal.

Геном одного вида бактерий относительно невелик, а размножаются они, лишь копируя собственную генетическую информацию, что ограничивает их адаптивность. Однако в сообществе с другими видами бактерии могут получать генетический материал от соседей и встраивать его в свой собственный геном.

Может ли это улучшить их шансы на выживание? При каких условиях это даёт преимущество? Профессор д-р Беренике Майер и её команда исследовали эти вопросы. В ходе эволюционного эксперимента они показали, что в определённых условиях роста бактерии действительно извлекают пользу из чужого генетического материала.

Исследователи создали множество гибридов "сенной палочки" Bacillus subtilis и родственных видов Bacillus путём горизонтального переноса генов и определили их фитнес. Фитнес описывает, насколько быстро гибрид размножается по сравнению с исходным, немодифицированным штаммом (родительским). Быстрый рост означает, что один вид бактерий может вытеснить другой и обеспечить доминирование своим потомкам.

Чтобы проверить адаптивность, учёные определили фитнес гибридов в различных условиях среды, например, при повышенной температуре или на разных источниках пищи. "Для каждого условия мы получили разное распределение эффектов по фитнесу. Ключевым вопросом стало, можем ли мы на основе этого предсказать, увеличит ли горизонтальный перенос генов адаптивность в конкретных условиях среды", — сказала Изабель Ратманн, один из ведущих авторов исследования.

Чтобы проверить эти предсказания, учёные совместно с исследовательской группой профессора д-ра Тобиаса Болленбаха провели высокопроизводительный эволюционный эксперимент. В нём создавались популяции различных гибридов, которые конкурировали друг с другом за питательные вещества в разных условиях роста. Использование системы высокопроизводительного скрининга позволило наблюдать за сотнями таких популяций на протяжении 450 бактериальных поколений. Первоначальные результаты показали, что на основе распределения эффектов по фитнесу можно делать прогнозы о влиянии переноса генов на адаптацию.

"Мы обнаружили, что при большинстве условий роста некоторые гибриды были лучше адаптированы, чем родительский штамм. Этот результат позволяет предположить, что общий генный пул может помочь бактериям адаптироваться к определённым условиям среды. Однако существуют и условия, при которых перенос генов не даёт преимущества", — отметила Мона Фёрстер, ещё один ведущий автор исследования. В будущем исследователи планируют использовать этот метод для точного прогнозирования того, когда горизонтальный перенос генов ускорит бактериальную адаптацию.