Бактерии «замыкают накоротко» свои гены, чтобы починить сломанный мотор

Исследователи из Йоркского университета в составе международной команды обнаружили, как бактерии могут перезапустить свой «подвесной мотор», замыкая накоротко собственные гены.

Столкнувшись с невозможностью двигаться и угрозой голодной смерти, бактерии эволюционировали новый способ активации своего жгутика — вращающейся хвостоподобной структуры, работающей как мотор. Они создали новый генетический переключатель, соединив вместе заимствованные части.

Результаты, опубликованные в журнале Science, показывают, что при катастрофической мутации организм может быстро перенастроить свои гены. Замечательная скорость, с которой старые гены берут на себя новые задачи, говорит о неожиданно высоком уровне генетической гибкости и устойчивости жизни.

Открытие было сделано командой учёных, включая профессора Майкла Брокхерста из Йоркского университета, а также специалистов из университетов Рединга, Эксетера и Массачусетса.

Исследование началось со случайного наблюдения в лаборатории доктора Роба Джексона в Рединге. Почвенную бактерию Pseudomonas fluorescens модифицировали так, чтобы она не могла создавать свой «пропеллероподобный» жгутик и, следовательно, двигаться. Однако, когда студент случайно оставил чашку Петри с неподвижным штаммом на лабораторном столе на выходные, команда обнаружила, что за несколько дней бактерии вновь эволюционировали способность к движению. В процессе они восстановили свои жгутики.

Удивительно, но это произошло потому, что мутанты перенастроили клеточный переключатель, который в норме контролирует уровень азота в клетке, чтобы активировать жгутик. Это позволило бактериям перемещаться к новым источникам пищи и избегать голода.

Чтобы понять механизм, биологи из Йоркского университета сравнили, какие гены активировались у бактерий до и после эволюции. Профессор Брокхерст пояснил: «Бактерии используют множество генетических переключателей, чтобы включать и выключать свои гены. Каждый такой переключатель контролирует свой набор генов. Поразительно, но мы обнаружили, что достаточно одной крошечной мутации в одном из этих переключателей, чтобы превратить его из регулятора генов, отвечающих за использование азота, в регулятор генов, строящих жгутик. По сути, бактерия эволюционировала способ завести свой мотор «накоротко» практически за одну ночь».

Доктор Тиффани Тейлор из Университета Рединга, ведущий автор исследования, добавила: «Но у такого «замыкания» есть цена. Заменяющий ключ — это молекула, заимствованная из системы регуляции азота. Мутантные бактерии теперь могут двигаться, но не могут правильно регулировать азот, который может накапливаться и становиться токсичным. Конечно, это эволюционная цена, которую стоит заплатить, когда альтернатива — верная смерть».

Эти результаты показывают, что новые функции могут эволюционировать гораздо быстрее и проще, чем кто-либо предполагал ранее. Доктор Луиза Джонсон, эволюционный биолог из Университета Рединга, сказала: «Эволюцию описывали как процесс «импровизации», но эта работа демонстрирует, что она может быть удивительно предсказуемой. Когда ситуация отчаянная, жизнь находит выход».