Эволюция радиоустойчивости сложнее, чем считалось ранее

Экстремофилы — самые выносливые организмы на Земле, способные выживать в экстремальных условиях: при высыхании, сильном холоде, вакууме космоса, в кислоте или даже при высоких уровнях радиации. На сегодняшний день самым стойким из всех считается бактерия Deinococcus radiodurans, способная выдерживать дозы радиации в тысячу раз выше смертельных для человека. Однако учёные до сих пор не могли понять, как радиоустойчивость могла независимо эволюционировать у нескольких организмов на нашей планете, естественно защищённой от солнечной радиации магнитным полем. Хотя некоторые исследователи предполагали, что радиоустойчивость у экстремофилов могла развиваться вместе с другими видами устойчивости (например, к высыханию), оставался вопрос: какие гены конкретно за неё отвечают?

Чтобы ответить на него, команда доктора Кокса из Университета Висконсин-Мэдисон решила «дать клеткам самим рассказать». Исследователи начали с естественно неустойчивой к радиации бактерии E. coli и подвергли её повторяющимся циклам облучения высокой интенсивности. После многих раундов облучения и роста появилось несколько радиоустойчивых популяций. С помощью полногеномного секвенирования учёные изучили генетические изменения в каждой радиоустойчивой популяции и определили, какая именно мутация придала бактериям радиоустойчивость.

В своём первом исследовании команда доктора Кокса подвергла E. coli 50 циклам ионизирующего облучения (Bruckbauer et al 2019b). Примерно после 10 циклов появились первые радиоустойчивые популяции, а после 50 — анализ их генетического профиля выявил три мутации, ответственные за радиоустойчивость. Все они были в генах, связанных с механизмами репарации ДНК. В новом исследовании команда подвергла бактерии ещё 50 циклам облучения и отбора.

Результаты, опубликованные в Frontiers in Microbiology, показывают, что популяции радиоустойчивой E. coli продолжали эволюционировать, и в них появились субпопуляции. Неожиданно оказалось, что если радиоустойчивость, вызванная первой серией облучения, в основном была связана с тремя мутациями, то вторая серия индуцировала сотни мутаций, включая крупные делеции и дупликации нескольких генов. «Четыре популяции, которые мы эволюционируем в этом новом испытании, достигли уровней радиоустойчивости, приближающихся к уровням, наблюдаемым у Deinococcus radiodurans. По мере прогрессирования текущего испытания геномные изменения оказались гораздо сложнее, чем предполагалось», — говорит доктор Кокс.

Хотя на этот раз сложнее точно определить все мутации, способствующие повышению радиоустойчивости, исследователи показывают, что затронуто больше клеточных метаболических путей (синтез АТФ, биогенез железо-серных кластеров, синтез кадаверина и реакция на активные формы кислорода). Более того, это исследование доказывает, что радиоустойчивость может развиться до уровня Deinococcus radiodurans независимо от устойчивости к высыханию.

По мере продолжения облучения и экспериментальной эволюции собирается больше данных о том, как индуцировать радиоустойчивость у бактерий. В будущем это может составить бесценный набор инструментов (мутаций) для создания радиоустойчивых пробиотиков, которые, например, помогут пациентам, проходящим лучевую терапию, или астронавтам, подвергающимся воздействию космической радиации.