Польза избыточности в биологических системах

Исследование, опубликованное в журнале eLife, показывает, что кажущаяся избыточность в биологических системах, например, наличие множественных копий генов, может быть выгодной в определённых условиях.

Трансляция: процесс с высокой степенью избыточности

Трансляция — энергозатратный процесс синтеза белка на основе генетической информации. Ключевые компоненты этого процесса — рибосомы и транспортные РНК (тРНК) — сами кодируются в геноме, часто множественными идентичными копиями генов.

Например, у лабораторного штамма бактерии Escherichia coli K-12 MG1655 есть семь копий генов рибосомальной РНК (рРНК) и до шести копий каждого гена тРНК.

Эксперимент: манипулирование уровнем избыточности

Группа Дипы Агаше из Национального центра биологических наук (Индия) совместно с группой Дженны Галли из Института эволюционной биологии Макса Планка создала панель производных штаммов E. coli, удалив из генома различные избыточные копии генов рРНК и/или тРНК. Это снизило степень генетической избыточности трансляционного аппарата.

Биологические анализы (YAMAT-seq и тесты с β-галактозидазой) подтвердили, что удаление генов привело к снижению уровня зрелых тРНК и замедлению трансляции.

Выгода от избыточности зависит от условий среды

Рост всех штаммов измеряли в средах с разной доступностью питательных веществ (от бедных до богатых).

• В бедных питательными веществами средах штаммы с пониженной избыточностью росли быстрее исходного штамма.
• В богатых питательными веществами средах эти же штаммы росли медленнее исходного.

Результаты подтверждают гипотезу: генетическая избыточность имеет свою "стоимость" при медленной трансляции, но становится выгодной в условиях, поддерживающих быструю трансляцию и рост.

Исследование демонстрирует, что наличие множественных копий генов рРНК/тРНК может быть полезным и подчёркивает, что кажущаяся избыточность может играть важную роль в сложных биологических системах, особенно в меняющихся условиях окружающей среды.