Эволюция не так случайна, как считалось ранее, показало новое исследование

Новое исследование показало, что эволюция не так непредсказуема, как считалось ранее. Это открытие может позволить ученым выявлять гены, которые могут быть полезны для решения реальных проблем, таких как устойчивость к антибиотикам, болезни и изменение климата.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), бросает вызов давнему убеждению о непредсказуемости эволюции. Оно показало, что эволюционная траектория генома может зависеть от его эволюционной истории, а не определяться множеством случайных факторов.

Работу возглавили профессор Джеймс Макинерни и доктор Алан Биван из Школы наук о жизни Ноттингемского университета, а также доктор Мария Роса Доминго-Сананес из Ноттингемского университета Трента.

Ключевые выводы и методология

Команда провела анализ пангенома — полного набора генов внутри данного вида — чтобы ответить на вопрос, предсказуема ли эволюция или пути эволюции геномов зависят от их истории и потому непредсказуемы.

Используя метод машинного обучения Random Forest и набор данных из 2500 полных геномов одного вида бактерий, команда провела несколько сотен тысяч часов компьютерной обработки.

После загрузки данных в высокопроизводительный компьютер исследователи сначала сгруппировали гены каждого генома в «семейства генов». «Таким образом, мы могли сравнивать подобное с подобным между геномами», — пояснила доктор Доминго-Сананес.

Затем команда проанализировала закономерности присутствия или отсутствия этих семейств в разных геномах.

«Невидимая экосистема» генов

Было обнаружено, что некоторые семейства генов никогда не появляются в геноме, если в нем уже присутствует определенное другое семейство. В других случаях наличие одних генов сильно зависело от присутствия других.

По сути, исследователи обнаружили невидимую экосистему, где гены могут сотрудничать или конфликтовать друг с другом. «Эти взаимодействия между генами делают некоторые аспекты эволюции в определенной степени предсказуемыми, и, более того, у нас теперь есть инструмент, позволяющий делать такие прогнозы», — добавляет доктор Доминго-Сананес.

Практические последствия и будущее

Профессор Макинерни назвал последствия этого исследования «ничуть не менее чем революционными», открывающими возможности для синтетической биологии, медицины и наук об окружающей среде.

Доктор Биван привел пример: «Из этой работы мы можем начать изучать, какие гены "поддерживают" ген устойчивости к антибиотикам. Следовательно, если мы пытаемся устранить устойчивость к антибиотикам, мы можем нацелиться не только на основной ген, но и на его гены-помощники».

Исследование может привести к:

• Дизайну новых геномов — созданию синтетических геномов и предсказуемому манипулированию генетическим материалом.
• Борьбе с устойчивостью к антибиотикам — выявлению генов, делающих такую устойчивость возможной, для разработки целевых методов лечения.
• Смягчению последствий изменения климата — созданию микроорганизмов для улавливания углерода или разложения загрязнителей.
• Медицинским применениям — революции в персонализированной медицине за счет новых критериев оценки риска заболеваний и эффективности лечения.