Учёные впервые наблюдали рождение нового гена в лаборатории
Исследователи из TU Delft впервые экспериментально подтвердили классическую теорию возникновения новых генов. Они наблюдали, как у дрожжей Saccharomyces pastorianus в лаборатории появился новый ген, позволивший им усваивать сложный сахар мальтотриозу, что является ключевым для производства лагерного пива.
Теория дупликации генов
Согласно основной теории, новые функции появляются, когда клетка случайно создаёт копию существующего гена. Одна копия сохраняет исходную функцию, а другая может свободно мутировать и приобрести новое полезное свойство. Хотя эта теория обсуждалась десятилетиями, прямых экспериментальных доказательств до сих пор не было.
Эксперимент с дрожжами
Учёные работали с предковым штаммом дрожжей, обнаруженным в 2011 году, который не мог метаболизировать мальтотриозу. Они:
- Облучили миллионы дрожжевых клеток УФ-светом, чтобы увеличить частоту случайных мутаций.
- Поместили клетки в среду с суслом, богатым сахарами, но в ограниченном количестве, создав жёсткую конкуренцию.
- После потребления всех простых сахаров в среде осталась только мальтотриоза, что создало эволюционное давление в пользу её утилизации.
В результате исследователи зафиксировали резкое падение уровня мальтотриозы, что указывало на появление клетки, способной её потреблять. Её потомки быстро вытеснили остальные клетки.
Гибридный ген
Анализ генома мутировавших клеток показал, что появился новый гибридный ген. Он содержал крупные участки ДНК от трёх других генов из семейства транспортных генов, отвечающих за перенос сахаров в клетку.
Новый ген кодирует белок, который встраивается в клеточную мембрану и формирует туннель для транспорта молекул сахара. Анализ последовательности ДНК подтвердил, что ген образовался в результате мутаций в одной из копий дуплицированного транспортного гена.
"Для нас настоящим сюрпризом была скорость, с которой возник гибридный ген", — отмечает исследователь Артур Гортер де Врис.
Практическое применение
Полученные дрожжи можно использовать для варки лагера. Пиво, сброженное с их помощью, сочетает экзотические ароматы диких дрожшей со свежим вкусом лагера.
"Наши новые дрожжи эволюционировали в лаборатории, но без генетической модификации. Преимущество в том, что промышленность могла бы использовать их без каких-либо проблем", — подчёркивает исследователь Ник Брауэрс.
Это исследование впервые предоставило прямое экспериментальное доказательство теории, что новые гены могут возникать через дупликацию и последующую мутацию существующих генов.