Раскрывая прошлое: Определение ключевого эволюционного шага в метаболизме E. coli

Исследователи из Техасского университета в Остине с помощью метода рекурсивной рекомбинации и секвенирования по всему геному (REGRES) определили ключевую мутацию, которая превратила рудиментарную способность Escherichia coli метаболизировать цитрат (Cit⁺) в полноценный признак, дающий решающее конкурентное преимущество.

• Контекст: В долгосрочном лабораторном эксперименте по эволюции после примерно 31 500 поколений у E. coli развилась редкая метаболическая инновация — способность использовать цитрат (Cit⁺) из питательной среды.
• Метод REGRES: Комбинация классических генетических методов (конъюгации) и секвенирования нового поколения. Метод позволил последовательно «очистить» геном эволюционировавшего штамма Cit⁺ от более чем 70 мутаций, оставив только те, что необходимы для выживания в условиях с цитратом.
• Ключевой результат: Из всех мутаций только две оказались необходимы и достаточны для сильной способности использовать цитрат:
  1. Мутация в гене транспортера CitT, давшая слабую начальную способность к утилизации цитрата.
  2. Мутация в гене транспортера DctA, которая «достроила цикл» и позволила эффективно использовать весь цитрат в среде.
• Важный вывод: Усовершенствование (рефинирование) возникшего признака из рудиментарной формы может быть так же важно для его эволюционного успеха, как и более ранние «потенцирующие» мутации. Последние, вероятно, лишь создали условия, при которых слабая мутация CitT оказалась слегка полезной и не была быстро элиминирована, что дало время для появления ключевой мутации DctA.
• Эволюционное преимущество: Штамм с полным признаком Cit⁺ получил «подавляющее» преимущество перед конкурентами, ограниченными использованием лишь глюкозы.
• Дальнейшие исследования: Учёные пытаются точно определить порядок более чем 70 мутаций в штамме Cit⁺, чтобы найти контекст, в котором мутация CitT стала полезной. Также изучается побочная мутация, обнаруженная при REGRES, которая, по-видимому, обратила эффект более ранней мутации, что является признаком эволюционной перестройки метаболизма.
• Применение метода REGRES: Метод может использоваться для выявления мутаций, ответственных за сложные признаки, гибридизации геномов штаммов с полезными свойствами или удаления вредных мутаций, накопившихся в промышленных штаммах бактерий.