Sich entwickelnde Bakterien können Hindernisse auf dem Weg zur „Höchstfitness“ umgehen | Quanta-Magazin

Vor fast einem Jahrhundert stellte sich der Evolutionstheoretiker Sewall Wright eine Landschaft aus Bergen und Tälern vor. Die Gipfel stellten Zustände mit hoher evolutionärer Fitness für Organismen dar, während die Täler zwischen ihnen Zustände mit geringer Fitness darstellten. Organismen könnten sich durch einen Mutationsprozess durch die Landschaft bewegen und die Gipfel erklimmen, da ihre veränderten Gene ihnen zu größerer Fitness verhelfen.

Wright, ein Begründer der modernen Populationsgenetik, war von einem offensichtlichen Paradoxon fasziniert: Wenn es einer Population von Organismen gelang, die Spitze eines kleinen Hügels zu erreichen, würden sie dort festsitzen, umgeben von schlimmeren Zuständen. Sie konnten keine höheren Gipfel erreichen, ohne vorher die Flaute darunter zu überwinden, was die natürliche Selektion normalerweise nicht zuließe.

Im Laufe der letzten hundert Jahre haben Evolutionsbiologen mithilfe mathematischer Modelle und zunehmend auch Laborexperimenten mit lebenden Organismen untersucht, wie sich Populationen jeder Größe durch Fitnesslandschaften (manchmal auch adaptive Landschaften genannt) bewegen können. Jetzt in Eine gerade veröffentlichte Studie in Wissenschafthaben Forscher mehr als eine Viertelmillion Versionen eines verbreiteten Bakteriums entwickelt und die Leistung jedes Stammes aufgezeichnet, um eine der größten im Labor erstellten adaptiven Landschaften aller Zeiten zu schaffen. Dadurch konnten sie sich fragen: Wie schwer ist es, von einem bestimmten Punkt aus zu den Gipfeln zu gelangen?

Überraschenderweise war die raue Fitnesslandschaft für die meisten Bakterien passierbar: Etwa drei Viertel der Stämme hatten einen möglichen evolutionären Weg zur Antibiotikaresistenz. Die Ergebnisse stützen die in früheren theoretischen Arbeiten aufgezeigte Idee, dass „Täler“ in der Fitness leichter vermieden werden können, als man denkt. Sie öffnen auch die Tür zu einem besseren Verständnis dafür, wie sich reale Populationen – von Bakterien, aber vielleicht auch anderen Organismen – unter dem Druck der natürlichen Selektion verändern könnten.

Viele Jahrzehnte lang war die Erforschung von Fitnesslandschaften in erster Linie Theoretikern vorbehalten, die mit simulierten Organismen arbeiteten, oder Pionierexperimentatoren, die in relativ kleinem Maßstab arbeiteten. Aber mit dem Aufkommen einfacher, kostengünstiger Gen-Editing-Technologie fragte sich das Team hinter dem neuen Papier, ob es mit lebenden Organismen eine sehr große adaptive Landschaft aufbauen könnte, sagte er Andreas Wagner, Professor für Biologie an der Universität Zürich und Autor der neuen Arbeit.

Sie beschlossen, die Fitnesseffekte eines einzelnen Gens im Bakterium aufzuzeichnen Escherichia coli. Dihydrofolatreduktase, das Enzym, das dieses Gen kodiert, ist ein Ziel des Antibiotikums Trimethoprim, und Mutationen im Gen können das Bakterium resistent gegen das Medikament machen. Wagner und seine Kollegen, darunter Hauptautor Andrei Papkou, Postdoktorand an der Universität Zürich, hat mehr als 260,000 genetisch unterschiedliche Stämme geschaffen E. coli, von denen jedes eine andere Permutation von neun Aminosäuren im funktionellen Kern seiner Version des Enzyms verwendete.

Sie züchteten die Stämme in Gegenwart von Trimethoprim und verfolgten, welche Stämme gediehen. Die Darstellung ihrer Daten ergab eine Landschaft mit Hunderten von Gipfeln unterschiedlicher Höhe, die darstellten, wie gut jede der genetischen Varianten (Genotypen) es den Bakterien ermöglichte, dem Medikament auszuweichen.

Dann untersuchten die Forscher, wie schwierig es für die verschiedenen Stämme sein würde, sich zu entwickeln, um einen der höchsten Gipfel zu erreichen. Sie berechneten für jeden Genotyp, welche Mutationsserie nötig wäre, um ihn in einen der hochresistenten Stämme umzuwandeln.

Wie Wright vor Jahrzehnten vorhersagte, endeten einige Wege auf niedrigen Gipfeln, die keine Möglichkeit für weitere Verbesserungen ließen. Aber viele der Wege – Wege, auf denen Organismen mit einer Mutation nach der anderen ihre Genotypen ändern konnten – erreichten ziemlich hohe Höhepunkte.

„Wir haben gute Statistiken darüber, wie oft sie bei niedrigen Gipfeln stecken bleiben“, sagte Wagner. „Und das kommt überhaupt nicht häufig vor. … XNUMX Prozent unserer Bevölkerung entwickeln klinisch relevante Antibiotikaresistenzen.“

Das stimmt mit was überein Sam Scarpino, ein Biologe und Krankheitsmodellierer, der Direktor für KI + Biowissenschaften an der Northeastern University ist, sagte, er würde damit rechnen. „Sie haben dieses sehr schöne Ergebnis erzielt, das wir vorhergesagt haben“, sagte er und zeigte darauf eine aktuelle theoretische Arbeit Erforschung der Beziehung zwischen der Robustheit und der Befahrbarkeit von Fitnesslandschaften. Wenn Fitnesslandschaften hochdimensional sind – wenn sie über die einfachen drei Dimensionen der Vorstellungskraft der meisten Menschen hinausgehen und beispielsweise die neun Dimensionen umfassen, die in Wagners Studie verwendet werden – ist es wahrscheinlicher, dass sehr unterschiedliche Netzwerke regulatorischer Gene, die dieselben körperlichen Merkmale hervorbringen, nahe beieinander liegen zusammen in einer Landschaft oder durch einen barrierefreien Weg verbunden werden.

Wagner und Papkou fanden beispielsweise heraus, dass die höchsten Gipfel der Antibiotikaresistenz in ihrer Versuchslandschaft häufig von dem neundimensionalen Äquivalent sehr breiter Steigungen umgeben waren; Tatsächlich ähnelten sie eher dem Berg Fuji als dem Matterhorn. Infolgedessen begannen viele Genotypen irgendwo an den Hängen der höchsten Fitnessgipfel, was es für diese Stämme einfacher machte, die Spitze zu erreichen.

Es sei nicht selbstverständlich, dass die höchsten Gipfel die überwiegende Mehrheit der Genotypen anziehen würden, bemerkte James O'Dwyer, ein theoretischer Ökologe an der University of Illinois, Urbana-Champaign. Aber in dieser Landschaft scheint das der Fall gewesen zu sein.

Deshalb ist der Aufbau von Fitnesslandschaften, wie Wagner, Papkou und ihre Kollegen es taten – riesige, auf echten Organismen basierende – ein wichtiger Schritt, um die Lücke zwischen dem, was wir für wahr halten könnten, und dem, was tatsächlich in der Natur existiert, in Systemen, die weitaus komplexer sind als „Wir können es uns leicht vorstellen“, sagte er Ben Kerr, Professor für Biologie an der University of Washington. „Wie ordnen wir unsere Intuitionen … Situationen zu, die nicht Teil unserer Erfahrung sind?“ er sagte. „Man muss seine Intuition neu trainieren. Ein guter Ausgangspunkt ist es, dies auf der Grundlage empirischer Daten zu tun.“

So riesig die Fitnesslandschaft in Wagners neuem Artikel auch ist, sie zeigt nur, wozu die Bakterien in einer einzigen spezifischen Umgebung fähig sind. Wenn die Forscher irgendwelche Einzelheiten ändern würden – wenn sie beispielsweise die Dosis des Antibiotikums ändern oder die Temperatur erhöhen würden – würden sie ein anderes Bild erhalten. Obwohl die Ergebnisse dies wohl am meisten nahelegen E. coli Da Stämme Antibiotikaresistenzen entwickeln können, ist dieses Ergebnis in der realen Welt möglicherweise weitaus unwahrscheinlicher oder weitaus wahrscheinlicher. Sicher scheint nur, dass die meisten Sorten durch ihre eigenen kleinen Erfolge wahrscheinlich nicht unwiderruflich sabotiert werden.

Zu den interessanten nächsten Schritten dieser Forschung könnte daher die Untersuchung gehören, ob eine der Regeln, die in der experimentellen Version der Landschaft vorherrschend zu sein schienen, möglicherweise allgemeiner ist. „Wenn dem so wäre, gäbe es einen tieferen Grund dafür“, sagte O'Dwyer.

Wagner und Papkou hoffen, in zukünftigen Arbeiten andere Versionen der Landschaft erkunden zu können. Papkou weist darauf hin, dass es nicht möglich ist, jede Permutation auch nur eines einzelnen Gens umfassend abzubilden – die Landschaft würde fast sofort auf astronomische Größe explodieren. Aber mit im Labor erstellten Landschaften und theoretischen Modellen sollte es heute noch möglich sein, mit der Erforschung zu beginnen, ob universelle Prinzipien die Grundlage dafür bilden, wie sich ein sich entwickelndes Wesen als Reaktion auf seine Umgebung verändern kann.

„Die Quintessenz ist: Es ist für die darwinistische Evolution ziemlich einfach, in einer suboptimalen Position zu beginnen und sich durch die Kraft der natürlichen Selektion zu einem hohen Fitness-Höhepunkt zu bewegen“, sagte Papkou. „Es war ziemlich erstaunlich.“

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