বিবর্তিত ব্যাকটেরিয়া 'পিক' ফিটনেসের বাধা এড়াতে পারে | কোয়ান্টা ম্যাগাজিন

প্রায় এক শতাব্দী আগে, বিবর্তনবাদী তাত্ত্বিক সেওয়াল রাইট পাহাড় এবং উপত্যকার একটি ল্যান্ডস্কেপ কল্পনা করেছিলেন। চূড়াগুলি জীবের জন্য উচ্চ বিবর্তনীয় ফিটনেসের রাজ্যগুলিকে প্রতিনিধিত্ব করে, যখন তাদের মধ্যবর্তী খাদগুলি নিম্ন ফিটনেসের রাজ্যগুলিকে প্রতিনিধিত্ব করে। জীবগুলি মিউটেশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ল্যান্ডস্কেপের মধ্য দিয়ে যেতে পারে, শিখরগুলিতে আরোহণ করতে পারে কারণ তাদের পরিবর্তনশীল জিনগুলি তাদের আরও বেশি ফিটনেস অর্জনে সহায়তা করেছিল।

রাইট, আধুনিক জনসংখ্যা জেনেটিক্সের একজন প্রতিষ্ঠাতা, একটি আপাত প্যারাডক্স দ্বারা কৌতূহলী হয়েছিলেন: যদি জীবের একটি জনসংখ্যা একটি ছোট পাহাড়ের চূড়ায় পৌঁছাতে সক্ষম হয়, তবে তারা আরও খারাপ রাজ্য দ্বারা বেষ্টিত হয়ে সেখানে ছিন্নভিন্ন হয়ে যাবে। তারা প্রথমে নীচের অস্থিরতা অতিক্রম না করে উচ্চ শিখরে পৌঁছতে পারেনি, এমন কিছু যা প্রাকৃতিক নির্বাচন সাধারণত অনুমতি দেয় না।

গত একশ বছর ধরে, বিবর্তনীয় জীববিজ্ঞানীরা গাণিতিক মডেল ব্যবহার করেছেন এবং ক্রমবর্ধমানভাবে, জীবন্ত প্রাণীর সাথে ল্যাব পরীক্ষাগুলি অন্বেষণ করার জন্য কীভাবে সমস্ত আকারের জনসংখ্যা ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপ (কখনও কখনও অভিযোজিত ল্যান্ডস্কেপ বলা হয়) মাধ্যমে চলতে পারে। এখন একটি গবেষণা সবেমাত্র প্রকাশিত in বিজ্ঞান, গবেষকরা একটি সাধারণ ব্যাকটেরিয়ামের এক চতুর্থাংশ-মিলিয়নেরও বেশি সংস্করণ প্রকৌশলী করেছেন এবং সর্বকালের বৃহত্তম ল্যাব-নির্মিত অভিযোজিত ল্যান্ডস্কেপগুলির মধ্যে একটি তৈরি করতে প্রতিটি স্ট্রেইনের কার্যকারিতা প্লট করেছেন৷ এটি তাদের জিজ্ঞাসা করতে সক্ষম করেছিল: কোন নির্দিষ্ট বিন্দু থেকে শিখরগুলিতে পৌঁছানো কতটা কঠিন?

আশ্চর্যজনকভাবে, বেশিরভাগ ব্যাকটেরিয়ার জন্য কঠোর ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপ অতিক্রমযোগ্য ছিল: প্রায় তিন-চতুর্থাংশ স্ট্রেনের অ্যান্টিবায়োটিক প্রতিরোধের জন্য একটি সম্ভাব্য বিবর্তনীয় পথ ছিল। ফলাফলগুলি ধারণাটিকে সমর্থন করে, পূর্বের তাত্ত্বিক কাজ দ্বারা নির্দেশিত, যে ফিটনেসের "উপত্যকাগুলি" কেউ ভাবতে পারে তার চেয়ে সহজেই এড়ানো যেতে পারে। প্রাকৃতিক নির্বাচনের চাপে কীভাবে প্রকৃত জনসংখ্যা — ব্যাকটেরিয়া কিন্তু সম্ভবত অন্যান্য জীব-ও পরিবর্তিত হতে পারে সে সম্পর্কে তারা আরও ভালভাবে বোঝার দরজা খুলে দেয়।

বহু দশক ধরে, ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপ অন্বেষণ ছিল প্রাথমিকভাবে সিমুলেটেড জীবের সাথে কাজ করা তাত্ত্বিকদের রিজার্ভ, বা অপেক্ষাকৃত ছোট স্কেলে কাজ করা অগ্রগামী পরীক্ষাবিদদের। কিন্তু সহজ, সস্তা জিন এডিটিং প্রযুক্তির উত্থানের সাথে, নতুন কাগজের পিছনের দলটি ভেবেছিল যে তারা জীবন্ত প্রাণীর ব্যবহার করে একটি খুব বড় অভিযোজিত ল্যান্ডস্কেপ তৈরি করতে পারে কিনা, বলেন আন্দ্রেস ওয়াগনার, জুরিখ বিশ্ববিদ্যালয়ের জীববিজ্ঞানের অধ্যাপক এবং নতুন গবেষণাপত্রের একজন লেখক।

তারা ব্যাকটেরিয়াতে একটি একক জিনের ফিটনেস প্রভাব প্লট করার সিদ্ধান্ত নিয়েছে Escherichia কোলি. ডিহাইড্রোফোলেট রিডাক্টেস, এই জিনটি যে এনজাইমটি এনকোড করে তা হল অ্যান্টিবায়োটিক ট্রাইমেথোপ্রিমের লক্ষ্য এবং জিনের মিউটেশন ব্যাকটেরিয়াকে ওষুধের বিরুদ্ধে প্রতিরোধী করে তুলতে পারে। ওয়াগনার এবং তার সহকর্মীরা, প্রধান লেখক সহ আন্দ্রেই পাপকু, জুরিখ বিশ্ববিদ্যালয়ের একটি পোস্টডক, 260,000 এরও বেশি জিনগতভাবে স্বতন্ত্র স্ট্রেন তৈরি করেছে ই কোলাই, যার প্রত্যেকটি এনজাইমের সংস্করণের কার্যকরী কেন্দ্রে নয়টি অ্যামিনো অ্যাসিডের একটি ভিন্ন স্থানান্তর ব্যবহার করেছে।

তারা ট্রাইমেথোপ্রিমের উপস্থিতিতে স্ট্রেনগুলি বৃদ্ধি করে এবং কোনটি উন্নতি লাভ করে তার ট্র্যাক রাখে। তাদের তথ্যের প্লটটি বিভিন্ন উচ্চতার শত শত চূড়া সহ একটি ল্যান্ডস্কেপ প্রকাশ করেছে, যেটি প্রতিটি জেনেটিক ভ্যারিয়েন্ট (জিনোটাইপ) ব্যাকটেরিয়াকে ড্রাগ এড়াতে কতটা ভালভাবে সক্ষম করেছে তা প্রতিনিধিত্ব করে।

তারপরে গবেষকরা দেখেছিলেন যে বিভিন্ন স্ট্রেনের জন্য সর্বোচ্চ শিখরগুলির মধ্যে একটিতে পৌঁছানোর জন্য বিবর্তিত হওয়া কতটা কঠিন হবে। প্রতিটি জিনোটাইপের জন্য, তারা গণনা করেছিল যে মিউটেশনের কোন ধারাগুলি এটিকে অত্যন্ত প্রতিরোধী স্ট্রেনে রূপান্তর করতে হবে।

রাইট যেমন কয়েক দশক আগে ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন, কিছু পথ নিচু চূড়ার উপরে শেষ হয়েছিল যেগুলি আরও উন্নতির কোন সুযোগ রেখেছিল। কিন্তু অনেক পথ — যে পথগুলি দ্বারা, এক সময়ে একটি মিউটেশন, জীবগুলি তাদের জিনোটাইপ পরিবর্তন করতে পারে — মোটামুটি উচ্চ পয়েন্টে পৌঁছেছে।

"নিম্ন শিখরে কত ঘন ঘন তারা আটকে যায় সে সম্পর্কে আমরা ভাল পরিসংখ্যান পেয়েছি," ওয়াগনার বলেছেন। “এবং এটি প্রায়শই নয়। … আমাদের জনসংখ্যার পঁচাত্তর শতাংশ চিকিৎসাগতভাবে প্রাসঙ্গিক অ্যান্টিবায়োটিক প্রতিরোধে পৌঁছায়।

যে কি সঙ্গে tallies স্যাম স্কারপিনো, একজন জীববিজ্ঞানী এবং রোগের মডেলার যিনি নর্থইস্টার্ন ইউনিভার্সিটির এআই + লাইফ সায়েন্সের পরিচালক, বলেছেন তিনি আশা করবেন। "তাদের এই খুব সুন্দর ফলাফল আছে যা আমরা ভবিষ্যদ্বাণী করেছি," তিনি ইঙ্গিত করে বলেছিলেন একটি সাম্প্রতিক তাত্ত্বিক কাগজ ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপগুলির রুক্ষতা এবং নাব্যতার মধ্যে সম্পর্ক অন্বেষণ করা। যখন ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপগুলি উচ্চ-মাত্রিক হয় — যখন তারা বেশিরভাগ মানুষের কল্পনার সাধারণ তিনটি মাত্রা ছাড়িয়ে যায়, বলুন, ওয়াগনারের গবেষণায় ব্যবহৃত নয়টি মাত্রা — একই শারীরিক বৈশিষ্ট্য তৈরি করে এমন নিয়ন্ত্রক জিনের খুব আলাদা নেটওয়ার্কগুলি কাছাকাছি হওয়ার সম্ভাবনা বেশি। একসাথে একটি ল্যান্ডস্কেপ বা একটি অ্যাক্সেসযোগ্য পথ দ্বারা সংযুক্ত করা.

উদাহরণস্বরূপ, Wagner এবং Papkou দেখতে পান যে তাদের পরীক্ষামূলক ল্যান্ডস্কেপে অ্যান্টিবায়োটিক প্রতিরোধের সর্বোচ্চ শিখরগুলি প্রায়শই খুব প্রশস্ত ঢালের সমতুল্য নয়-মাত্রিক দ্বারা বেষ্টিত ছিল; বাস্তবে, তারা ম্যাটারহর্নের চেয়ে মাউন্ট ফুজির মতো আকৃতির ছিল। ফলস্বরূপ, উচ্চতম ফিটনেস শিখরের ঢালে অনেক জিনোটাইপ শুরু হয়েছিল, যা সেই স্ট্রেনের জন্য শীর্ষে যাওয়া সহজ করে তুলেছিল।

ইলিনয় ইউনিভার্সিটি, আরবানা-চ্যাম্পেইনের তাত্ত্বিক বাস্তুবিজ্ঞানী জেমস ও'ডোয়ায়ার উল্লেখ করেছেন যে, সর্বাধিক জিনোটাইপগুলিতে সর্বোচ্চ চূড়াগুলি আঁকবে তা দেওয়া হয়নি। কিন্তু এই ল্যান্ডস্কেপ যে ক্ষেত্রে হয়েছে বলে মনে হচ্ছে.

এই কারণেই ওয়াগনার, পাপকাউ এবং তাদের সহকর্মীদের মতো ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপ তৈরি করা — বাস্তব জীবের উপর ভিত্তি করে বিশালাকার — যা আমরা সত্য বলে ধরে নিতে পারি এবং প্রকৃতিতে আসলে কী আছে, তার চেয়ে অনেক বেশি জটিল সিস্টেমের মধ্যে ব্যবধান পূরণ করার একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ। আমরা সহজেই ছবি করতে পারি, ড বেন কের, ওয়াশিংটন বিশ্ববিদ্যালয়ের জীববিজ্ঞানের অধ্যাপক ড. "আমরা কীভাবে আমাদের অন্তর্দৃষ্টিগুলিকে ম্যাপ করব ... এমন পরিস্থিতিতে যা আমাদের অভিজ্ঞতার অংশ নয়?" সে বলেছিল. “একজন তার অন্তর্দৃষ্টি পুনরায় প্রশিক্ষণ আছে. একটি ভাল সূচনা বিন্দু এটি অভিজ্ঞতামূলক ডেটাতে করা।"

ওয়াগনারের নতুন কাগজে ফিটনেস ল্যান্ডস্কেপ যতটা বিশাল, এটি শুধুমাত্র একটি নির্দিষ্ট পরিবেশে ব্যাকটেরিয়াগুলি কী করতে সক্ষম তা দেখায়। গবেষকরা যদি কোনও বিবরণ পরিবর্তন করেন - যদি তারা অ্যান্টিবায়োটিকের ডোজ পরিবর্তন করে বা তাপমাত্রা বাড়ায়, বলুন - তারা একটি ভিন্ন আড়াআড়ি পাবে। তাই যদিও ফলাফলগুলি সবচেয়ে বেশি পরামর্শ দেয় বলে মনে হচ্ছে ই কোলাই স্ট্রেনগুলি অ্যান্টিবায়োটিক প্রতিরোধের বিকাশ ঘটাতে পারে, যে ফলাফলটি হয় অনেক কম বা বাস্তব বিশ্বে অনেক বেশি হওয়ার সম্ভাবনা হতে পারে। যা নিশ্চিত বলে মনে হয় তা হল বেশিরভাগ স্ট্রেনগুলি সম্ভবত তাদের নিজস্ব ছোটখাটো সাফল্যের দ্বারা অপরিবর্তনীয়ভাবে নাশকতা করে না।

এই গবেষণার জন্য কৌতূহলী পরবর্তী পদক্ষেপগুলি তাই অন্বেষণ জড়িত হতে পারে যে ল্যান্ডস্কেপের পরীক্ষার সংস্করণে বিরাজমান বলে মনে করা নিয়মগুলি আরও বিস্তৃতভাবে সর্বজনীন হতে পারে কিনা। "যদি তারা ছিল, এর জন্য কিছু অন্তর্নিহিত গভীর কারণ থাকবে," ও'ডোয়ায়ার বলেছিলেন।

Wagner এবং Papkou ভবিষ্যতের কাজে ল্যান্ডস্কেপের অন্যান্য সংস্করণগুলি অন্বেষণ করার আশা করছেন। Papkou নোট করেছেন যে এমনকি একটি একক জিনের প্রতিটি স্থানান্তরকে ব্যাপকভাবে ম্যাপ করা সম্ভব নয় - ল্যান্ডস্কেপটি প্রায় সঙ্গে সঙ্গেই জ্যোতির্বিজ্ঞানের আকারে বিস্ফোরিত হবে। কিন্তু ল্যাব-নির্মিত ল্যান্ডস্কেপ এবং তাত্ত্বিক মডেলগুলির সাহায্যে, সার্বজনীন নীতিগুলি কীভাবে একটি বিবর্তিত সত্তা তার পরিবেশের প্রতিক্রিয়ায় পরিবর্তন করতে পারে তা অন্বেষণ করা শুরু করা এখনও সম্ভব হওয়া উচিত।

"মূল কথা হল: ডারউইনীয় বিবর্তনের জন্য একটি সাবঅপ্টিমাল অবস্থানে শুরু করা এবং প্রাকৃতিক নির্বাচনের জোরে একটি উচ্চ ফিটনেস শিখরে নিয়ে যাওয়া বেশ সহজ," পাপকো বলেছেন। "এটি বেশ আশ্চর্যজনক ছিল।"

কোয়ান্টা আমাদের শ্রোতাদের আরও ভালভাবে পরিবেশন করার জন্য সমীক্ষার একটি সিরিজ পরিচালনা করছে। আমাদের নিন জীববিজ্ঞান পাঠক জরিপ এবং আপনি বিনামূল্যে জিততে প্রবেশ করা হবে কোয়ান্টা পণ্যদ্রব্য.