Τα εξελισσόμενα βακτήρια μπορούν να αποφύγουν τα εμπόδια στην «αιχμή» της φυσικής κατάστασης | Περιοδικό Quanta

Πριν από σχεδόν έναν αιώνα, ο θεωρητικός της εξέλιξης Sewall Wright φαντάστηκε ένα τοπίο με βουνά και κοιλάδες. Οι κορυφές αντιπροσώπευαν καταστάσεις υψηλής εξελικτικής ικανότητας για οργανισμούς, ενώ οι κοιλότητες μεταξύ τους αντιπροσώπευαν καταστάσεις χαμηλής ικανότητας. Οι οργανισμοί μπορεί να κινούνται μέσα στο τοπίο με μια διαδικασία μετάλλαξης, σκαρφαλώνοντας στις κορυφές καθώς τα μεταβαλλόμενα γονίδιά τους τους βοήθησαν να επιτύχουν μεγαλύτερη φυσική κατάσταση.

Ο Ράιτ, ιδρυτής της σύγχρονης πληθυσμιακής γενετικής, ενδιαφέρθηκε από ένα φαινομενικό παράδοξο: Αν ένας πληθυσμός οργανισμών κατάφερνε να φτάσει στην κορυφή ενός μικρού λόφου, θα ήταν περιτριγυρισμένοι εκεί, περιτριγυρισμένοι από χειρότερες καταστάσεις. Δεν θα μπορούσαν να φτάσουν σε ψηλότερες κορυφές χωρίς να διασχίσουν πρώτα την κούραση από κάτω, κάτι που η φυσική επιλογή κανονικά δεν θα επέτρεπε.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων εκατό ετών, οι εξελικτικοί βιολόγοι έχουν χρησιμοποιήσει μαθηματικά μοντέλα και, ολοένα και περισσότερο, εργαστηριακά πειράματα με ζωντανούς οργανισμούς για να διερευνήσουν πώς οι πληθυσμοί όλων των μεγεθών μπορούν να μετακινηθούν σε τοπία γυμναστικής (μερικές φορές ονομάζονται προσαρμοστικά τοπία). Τώρα σε μια μελέτη που μόλις δημοσιεύτηκε in Επιστήμη, οι ερευνητές έχουν κατασκευάσει περισσότερες από ένα τέταρτο εκατομμύριο εκδόσεις ενός κοινού βακτηρίου και σχεδίασαν την απόδοση κάθε στελέχους για να δημιουργήσουν ένα από τα μεγαλύτερα προσαρμοστικά τοπία που έχουν κατασκευαστεί ποτέ σε εργαστήριο. Τους έδωσε τη δυνατότητα να ρωτήσουν: Πόσο δύσκολο είναι να φτάσετε από ένα δεδομένο σημείο στις κορυφές;

Παραδόξως, το τραχύ τοπίο γυμναστικής ήταν διασχίσιμο για τα περισσότερα από τα βακτήρια: Περίπου τα τρία τέταρτα των στελεχών είχαν μια εφικτή εξελικτική οδό προς την αντίσταση στα αντιβιοτικά. Τα ευρήματα υποστηρίζουν την ιδέα, που υποδεικνύεται από προηγούμενες θεωρητικές εργασίες, ότι οι «κοιλάδες» στη φυσική κατάσταση μπορούν να αποφευχθούν πιο εύκολα από ό,τι θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί. Ανοίγουν επίσης την πόρτα για μια καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι πραγματικοί πληθυσμοί - βακτηρίων αλλά ίσως και άλλων οργανισμών - μπορεί να αλλάξουν υπό την πίεση της φυσικής επιλογής.

Για πολλές δεκαετίες, η εξερεύνηση τοπίων γυμναστικής ήταν κυρίως το απόθεμα των θεωρητικών που εργάζονταν με προσομοιωμένους οργανισμούς ή των πρωτοπόρων πειραματιστών που εργάζονταν σε σχετικά μικρή κλίμακα. Αλλά με την άνοδο της εύκολης, φθηνής τεχνολογίας επεξεργασίας γονιδίων, η ομάδα πίσω από το νέο έγγραφο αναρωτήθηκε αν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα πολύ μεγάλο προσαρμοστικό τοπίο χρησιμοποιώντας ζωντανούς οργανισμούς, είπε Αντρέας Βάγκνερ, καθηγητής βιολογίας του Πανεπιστημίου της Ζυρίχης και συγγραφέας της νέας εργασίας.

Αποφάσισαν να σχεδιάσουν τα αποτελέσματα της φυσικής κατάστασης ενός μόνο γονιδίου στο βακτήριο Escherichia coli. Η διυδροφολική αναγωγάση, το ένζυμο που κωδικοποιεί αυτό το γονίδιο, είναι στόχος του αντιβιοτικού τριμεθοπρίμη και οι μεταλλάξεις στο γονίδιο μπορούν να κάνουν το βακτήριο ανθεκτικό στο φάρμακο. Wagner και τους συναδέλφους του, συμπεριλαμβανομένου του κύριου συγγραφέα Αντρέι Παπκού, μεταδιδάκτορας στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, δημιούργησε περισσότερα από 260,000 γενετικά διακριτά στελέχη Ε. coli, καθένα από τα οποία χρησιμοποίησε μια διαφορετική μετάθεση εννέα αμινοξέων στον λειτουργικό πυρήνα της εκδοχής του ενζύμου.

Μεγάλωσαν τα στελέχη παρουσία τριμεθοπρίμης και παρακολουθούσαν ποια από αυτά ευδοκιμούσαν. Η πλοκή των δεδομένων τους αποκάλυψε ένα τοπίο με εκατοντάδες κορυφές διαφόρων υψών, που αντιπροσωπεύει πόσο καλά καθεμία από τις γενετικές παραλλαγές (γονότυποι) επέτρεψε στα βακτήρια να αποφύγουν το φάρμακο.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν πόσο δύσκολο θα ήταν για τα διαφορετικά στελέχη να εξελιχθούν για να φτάσουν σε μία από τις υψηλότερες κορυφές. Για κάθε γονότυπο, υπολόγισαν ποια σειρά μεταλλάξεων θα ήταν απαραίτητες για να μετατραπεί σε ένα από τα εξαιρετικά ανθεκτικά στελέχη.

Όπως είχε προβλέψει ο Ράιτ πριν από δεκαετίες, ορισμένα μονοπάτια κατέληγαν σε χαμηλές κορυφές που δεν άφηναν καμία ευκαιρία για περαιτέρω βελτίωση. Αλλά πολλά από τα μονοπάτια - διαδρομές με τις οποίες, μια μετάλλαξη κάθε φορά, οι οργανισμοί μπορούσαν να αλλάξουν τους γονότυπους τους - έφτασαν σε αρκετά υψηλά σημεία.

«Έχουμε καλά στατιστικά στοιχεία για το πόσο συχνά κολλάνε σε χαμηλές κορυφές», είπε ο Βάγκνερ. «Και δεν είναι καθόλου συχνά. … Το εβδομήντα πέντε τοις εκατό του πληθυσμού μας επιτυγχάνει κλινικά σχετικές αντιβιοτικές αντιστάσεις».

Αυτό αντιστοιχεί σε τι Σαμ Σκαρπίνο, βιολόγος και μοντελιστής ασθενειών που είναι διευθυντής του AI + Life Sciences στο Northeastern University, είπε ότι θα περίμενε. «Έχουν αυτό το πολύ ωραίο αποτέλεσμα που είχαμε προβλέψει», είπε, δείχνοντας πρόσφατη θεωρητική εργασία διερεύνηση της σχέσης μεταξύ της τραχύτητας και της πλευσιμότητας των τοπίων γυμναστικής. Όταν τα τοπία γυμναστικής είναι υψηλών διαστάσεων - όταν ξεπερνούν τις απλές τρεις διαστάσεις της φαντασίας των περισσότερων ανθρώπων, ας πούμε, στις εννέα διαστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη του Wagner - πολύ διαφορετικά δίκτυα ρυθμιστικών γονιδίων που παράγουν τα ίδια φυσικά χαρακτηριστικά είναι πιο πιθανό να είναι κοντά μαζί σε ένα τοπίο ή να συνδέονται με ένα προσβάσιμο μονοπάτι.

Για παράδειγμα, οι Wagner και Papkou ανακάλυψαν ότι οι υψηλότερες κορυφές για αντοχή στα αντιβιοτικά στο πειραματικό τους τοπίο συχνά περιβάλλονταν από το εννιαδιάστατο ισοδύναμο πολύ μεγάλων κλίσεων. Στην πραγματικότητα, είχαν το σχήμα περισσότερο σαν το όρος Φούτζι παρά με το Μάτερχορν. Ως αποτέλεσμα, πολλοί γονότυποι ξεκίνησαν κάπου στις πλαγιές των υψηλότερων κορυφών φυσικής κατάστασης, γεγονός που διευκόλυνε αυτά τα στελέχη να φτάσουν στην κορυφή.

Δεν ήταν δεδομένο ότι οι υψηλότερες κορυφές θα έλκονταν στη συντριπτική πλειοψηφία των γονότυπων, σημείωσε ο James O'Dwyer, θεωρητικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign. Αλλά σε αυτό το τοπίο φαίνεται ότι ίσχυε.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η κατασκευή τοπίων γυμναστικής όπως έκαναν ο Wagner, η Papkou και οι συνάδελφοί τους - τεράστια βασισμένα σε πραγματικούς οργανισμούς - είναι ένα σημαντικό βήμα για τη γεφύρωση του χάσματος μεταξύ αυτού που θα μπορούσαμε να υποθέσουμε ότι είναι αληθινό και αυτού που πραγματικά υπάρχει στη φύση, σε συστήματα πολύ πιο περίπλοκα από μπορούμε εύκολα να φανταστούμε, είπε Μπεν Κερ, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. «Πώς χαρτογραφούμε τις διαισθήσεις μας… σε καταστάσεις που δεν αποτελούν μέρος της εμπειρίας μας;» αυτός είπε. «Κάποιος πρέπει να επανεκπαιδεύσει τη διαίσθησή του. Ένα καλό σημείο εκκίνησης είναι να το κάνουμε με εμπειρικά δεδομένα».

Όσο τεράστιο κι αν είναι το τοπίο γυμναστικής στη νέα εργασία του Wagner, δείχνει μόνο τι είναι ικανά τα βακτήρια σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον. Εάν οι ερευνητές άλλαζαν κάποια από τα στοιχεία - αν άλλαζαν τη δόση του αντιβιοτικού ή αν ανέβαζαν τη θερμοκρασία, ας πούμε - θα είχαν ένα διαφορετικό τοπίο. Έτσι, αν και τα ευρήματα φαίνεται να υποδηλώνουν ότι οι περισσότεροι Ε. coli Τα στελέχη μπορούν να αναπτύξουν αντίσταση στα αντιβιοτικά, αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να είναι είτε πολύ λιγότερο πιθανό είτε πολύ πιο πιθανό στον πραγματικό κόσμο. Το μόνο που φαίνεται σίγουρο είναι ότι τα περισσότερα στελέχη πιθανότατα δεν υπονομεύονται αμετάκλητα από τις δικές τους μικρές επιτυχίες.

Τα συναρπαστικά επόμενα βήματα για αυτήν την έρευνα θα μπορούσαν επομένως να περιλαμβάνουν τη διερεύνηση του κατά πόσον οποιοσδήποτε από τους κανόνες που φαινόταν να επικρατούν στην εκδοχή του τοπίου του πειράματος μπορεί να είναι ευρύτερα καθολικός. «Αν ήταν, θα υπήρχε κάποιος βαθύς λόγος για αυτό», είπε ο O'Dwyer.

Ο Wagner και η Papkou ελπίζουν να εξερευνήσουν άλλες εκδοχές του τοπίου σε μελλοντικές εργασίες. Ο Παπκού σημειώνει ότι δεν είναι δυνατό να χαρτογραφηθεί κάθε μετάθεση ακόμη και ενός γονιδίου ολοκληρωμένα - το τοπίο θα εκραγεί σε αστρονομικό μέγεθος σχεδόν αμέσως. Αλλά με εργαστηριακά τοπία και θεωρητικά μοντέλα, θα πρέπει να είναι ακόμα δυνατό σήμερα να αρχίσουμε να διερευνούμε εάν οι παγκόσμιες αρχές βασίζονται στο πώς μια εξελισσόμενη οντότητα μπορεί να αλλάξει ως απόκριση στο περιβάλλον της.

«Η ουσία είναι: Είναι πολύ εύκολο για τη δαρβινική εξέλιξη να ξεκινήσει σε μια υποβέλτιστη θέση και να κινηθεί με τη δύναμη της φυσικής επιλογής σε μια υψηλή φυσική κατάσταση», είπε ο Πάπκου. «Ήταν αρκετά εκπληκτικό.»

Quanta διεξάγει μια σειρά από έρευνες για την καλύτερη εξυπηρέτηση του κοινού μας. Πάρτε το δικό μας έρευνα αναγνωστών βιολογίας και θα μπείτε για να κερδίσετε δωρεάν Quanta εμπορεύματα.