Предсказание эволюционных конфликтов

Исследователи из AMOLF и французского ESPCI продемонстрировали возможность предсказания ограничений эволюции, используя математический метод и эксперименты на бактериях. Результаты опубликованы 24 июня в журнале Cell Systems.

Клетки используют тесное взаимодействие белков в регуляторных сетях, чтобы интерпретировать среду и включать нужные гены (например, для выработки фермента, расщепляющего антибиотики). Эти сети постоянно находятся под эволюционным отбором, но предсказать их развитие сложно.

Учёные создали в бактериях E. coli новую генетическую сеть, позволяющую двум молекулам среды (A и B) влиять на экспрессию флуоресцентного белка. Вместо анализа случайных мутаций они сосредоточились на всех возможных будущих функциях сети и связанных с ними ограничениях. Один из вопросов: можно ли эволюционно добиться, чтобы клетки светились только при наличии молекулы A и отсутствии молекулы B?

Для ответа был разработан новый математический метод. Анализ с помощью графического подхода показал, что достичь этой цели непросто — потребуется глубокая эволюционная адаптация (например, в механизме детекции молекулы A).

Это предсказание проверили в эксперименте. Большую популяцию случайно мутировавших бактерий помещали в среду без A и B, затем с A, но без B и т.д., создавая конкуренцию между мутантами. Результаты подтвердили прогноз: в начале эволюции бактерии приближались к цели, но не полностью — они хорошо реагировали либо на A, либо на B, но не на оба сигнала одновременно. Возник конфликт между двумя эволюционными задачами. После длительной эволюции конфликт удалось разрешить, и генетический анализ выявил глубокую модификацию одного из белков.

Подобные практические концепции и эксперименты начинают давать ответ на вопрос о возможности предсказания в эволюционной биологии — сложной, но достижимой задаче.