Анализ генома демонстрирует естественный отбор в действии
Исследователи из Университета штата Мичиган задокументировали пошаговый процесс, в ходе которого организмы эволюционируют новые функции.
Результаты, опубликованные в текущем выпуске Nature, основаны на углубленном анализе генома, который раскрывает, как бактерии E. coli научились дополнять свой традиционный рацион из глюкозы цитратом.
Нормальная E. coli не может переваривать цитрат в присутствии кислорода. Это отличительная черта E. coli: они не экспрессируют нужный белок для поглощения молекул цитрата.
Для расшифровки ответственных мутаций Закари Блаунт работал с Ричардом Ленски. Долгосрочный эксперимент Ленски по культивированию E. coli, начатый в 1988 году, позволил изучить более 56 000 поколений бактериальной эволюции. Эксперимент демонстрирует естественный отбор в действии, а замороженные образцы позволяют изучать более ранние поколения, когда возникает что-то новое.
Цитрат-потребляющие бактерии впервые появились около 33 000 поколения. Однако анализ показал, что некоторые ключевые мутации произошли раньше: можно было повторно эволюционировать цитратноеды, но только после того, как другие части «пазла» были на месте.
В статье Nature команда проанализировала 29 геномов из разных поколений, чтобы найти мутационные части «пазла». Они обнаружили трёхэтапный процесс развития этой новой способности:
- Потенциация: E. coli накопила как минимум две мутации, подготовившие почву для последующих событий.
- Актуализация: бактерии впервые начали потреблять цитрат, но лишь в минимальных количествах.
- Усовершенствование: мутации, которые значительно улучшили изначально слабую функцию, позволили цитратноедам активно потреблять новый источник пищи и стать доминирующими в популяции.
Ключевая мутация на этапе актуализации была сложной: часть генома бактерии была скопирована, и два фрагмента ДНК были сшиты вместе новым способом. Один фрагмент кодировал белок для попадания цитрата в клетку, а другой обеспечивал экспрессию этого белка. В результате появился новый регуляторный модуль, позволивший E. coli поглощать цитрат в присутствии кислорода — это новый трюк для данного вида.