A fejlődő baktériumok kikerülhetik a „csúcs” fitnesz akadályait | Quanta Magazin

Közel egy évszázaddal ezelőtt Sewall Wright evolúciós teoretikus egy hegyekből és völgyekből álló tájat képzelt el. A csúcsok az élőlények számára magas evolúciós alkalmassági állapotokat, míg a köztük lévő mélyedések alacsony alkalmassági állapotokat jelentettek. Az élőlények mutációs folyamatok révén mozoghatnak a tájon, felmászva a csúcsokat, mivel a változó génjeik segítették őket nagyobb fittség elérésében.

Wrightot, a modern populációgenetika megalapítóját egy látszólagos paradoxon érdekelte: ha egy élőlénypopulációnak sikerülne feljutnia egy kis domb tetejére, ott borulna, rosszabb állapotok veszik körül. Nem érhetnének el magasabb csúcsokat anélkül, hogy először áthaladnának az alatta lévő hullámvölgyön, amit a természetes szelekció általában nem engedne meg.

Az elmúlt száz év során az evolúcióbiológusok matematikai modelleket és egyre gyakrabban élő szervezetekkel végzett laboratóriumi kísérleteket használtak annak feltárására, hogy a különböző méretű populációk hogyan mozoghatnak a fitnesz tájakon (néha adaptív tájakon). Most most megjelent tanulmány in Tudomány, a kutatók egy közönséges baktérium több mint negyedmillió változatát fejlesztették ki, és az egyes törzsek teljesítményét feltérképezték, hogy létrehozzák a valaha volt egyik legnagyobb, laboratóriumban épített adaptív tájképet. Lehetővé tette számukra a kérdést: Mennyire nehéz eljutni egy adott pontról a csúcsra?

Meglepő módon a zord erőnléti táj átjárható volt a legtöbb baktérium számára: a törzsek körülbelül háromnegyedének volt egy megvalósítható evolúciós útja az antibiotikum-rezisztencia felé. Az eredmények alátámasztják a korábbi elméleti munkák által jelzett elképzelést, miszerint a fitnesz „völgyei” könnyebben elkerülhetők, mint gondolnánk. Kinyitják az ajtót annak jobb megértéséhez is, hogyan változhatnak a valódi populációk – baktériumok, de talán más organizmusok is – a természetes szelekció nyomása alatt.

A fitnesztájak feltárása hosszú évtizedeken át elsősorban a szimulált organizmusokkal foglalkozó teoretikusok vagy a viszonylag kis léptékben dolgozó úttörő kísérletezők tartaléka volt. De az egyszerű, olcsó génszerkesztési technológia térnyerésével az új lap mögött álló csapat azon töprengett, vajon képesek-e élő szervezetek felhasználásával egy nagyon nagy adaptív tájat felépíteni. Andreas Wagner, a Zürichi Egyetem biológiaprofesszora és az új tanulmány szerzője.

Úgy döntöttek, hogy megrajzolják a baktérium egyetlen génjének fitnesz hatásait Escherichia coli. A dihidrofolát-reduktáz, az enzim, amelyet ez a gén kódol, a trimetoprim antibiotikum célpontja, és a gén mutációi rezisztenssé tehetik a baktériumot a gyógyszerrel szemben. Wagner és munkatársai, köztük a vezető szerző Andrei Papkou, a Zürichi Egyetem posztdoktora, több mint 260,000 XNUMX genetikailag eltérő törzset hozott létre. E. coli, amelyek mindegyike kilenc aminosav különböző permutációját alkalmazta az enzim változatának funkcionális magjában.

Trimetoprim jelenlétében növesztették a törzseket, és nyomon követték, hogy melyek fejlődnek. Adataik ábrázolása egy tájat mutatott fel, ahol több száz különböző magasságú csúcs található, ami azt mutatja, hogy az egyes genetikai változatok (genotípusok) milyen jól tették lehetővé a baktériumok számára, hogy elkerüljék a gyógyszert.

Ezután a kutatók azt vizsgálták, milyen nehéz lesz a különböző törzseknek fejlődniük, hogy elérjék az egyik legmagasabb csúcsot. Mindegyik genotípusra kiszámították, hogy milyen mutációsorozatra van szükség ahhoz, hogy transzformálódjon a rendkívül rezisztens törzsek egyikévé.

Ahogy Wright évtizedekkel ezelőtt megjósolta, néhány ösvény olyan alacsony csúcsokon ért véget, amelyek nem hagytak lehetőséget további fejlődésre. De sok út – olyan útvonalak, amelyeken keresztül egy-egy mutációval az organizmusok megváltoztathatták genotípusukat – meglehetősen magas pontokat értek el.

„Jó statisztikánk van arról, hogy milyen gyakran akadnak el alacsony csúcsokon” – mondta Wagner. – És egyáltalán nem gyakran. … Populációnk XNUMX százaléka eléri a klinikailag releváns antibiotikum-rezisztenciát.”

Ez egyezik mivel Sam Scarpino, egy biológus és betegségmodellező, aki a Northeastern University AI + Life Sciences igazgatója, azt mondta, hogy elvárja. „Nagyon szép eredményük van, amit megjósoltunk” – mutatott rá egy friss elméleti dolgozat a fitnesz tájak robusztussága és hajózhatósága közötti kapcsolat feltárása. Ha a fitnesz tájak nagy dimenziójúak – amikor túlmutatnak a legtöbb ember képzeletének három dimenzióján, mondjuk a Wagner tanulmányában használt kilenc dimenzióig –, akkor nagyobb valószínűséggel közel állnak egymáshoz a szabályozó gének nagyon különböző hálózatai, amelyek ugyanazokat a fizikai tulajdonságokat produkálják. együtt egy tájon, vagy egy hozzáférhető ösvény köti össze őket.

Például Wagner és Papkou azt találta, hogy az antibiotikum-rezisztencia legmagasabb csúcsait kísérleti környezetükben gyakran a nagyon széles lejtők kilencdimenziós megfelelője veszi körül; valójában inkább a Fuji-hegyre hasonlítottak, mint a Matterhornra. Ennek eredményeként sok genotípus valahol a legmagasabb fitneszcsúcsok lejtőin indult el, ami megkönnyítette ezeknek a törzseknek a csúcsra jutást.

Nem volt magától értetődő, hogy a legmagasabb csúcsok a genotípusok túlnyomó többségét vonzzák – jegyezte meg James O'Dwyer, az Urbana-Champaign állambeli Illinoisi Egyetem elméleti ökológusa. De ezen a tájon úgy tűnik, ez így volt.

Ez az oka annak, hogy Wagner, Papkou és kollégáik fitnesztájak építése – valódi élőlényeken alapuló masszív tájak – fontos lépés a szakadék áthidalása között, amit feltételezhetünk igaznak, és ami a természetben, a sokkal összetettebb rendszerekben valóban létezik. könnyen el tudjuk képzelni – mondta Ben Kerr, a Washingtoni Egyetem biológiaprofesszora. „Hogyan térképezzük fel megérzéseinket… olyan helyzetekre, amelyek nem részei a tapasztalatainknak?” ő mondta. „Az embernek újra kell képeznie az intuícióját. Jó kiindulási pont az, ha ezt empirikus adatok alapján végezzük.”

Bármilyen hatalmas is a Wagner új cikkében szereplő fitneszkép, csak azt mutatja meg, hogy a baktériumok mire képesek egyetlen meghatározott környezetben. Ha a kutatók megváltoztatnák bármelyik adatot – ha módosítanák az antibiotikum adagját vagy emelnék a hőmérsékletet, mondjuk –, akkor más képet kapnának. Tehát bár az eredmények azt sugallják, hogy a legtöbb E. coli törzsek antibiotikum-rezisztenciát fejleszthetnek ki, ez az eredmény vagy sokkal kevésbé valószínű, vagy sokkal valószínűbb a való világban. Annyi bizonyosnak tűnik, hogy a legtöbb törzset valószínűleg nem szabotálják visszavonhatatlanul saját kisebb sikereik.

A kutatás további érdekes lépései tehát annak feltárását foglalhatják magukban, hogy a kísérletben szereplő tájváltozatban uralkodónak tűnő szabályok bármelyike ​​általánosabb érvényű lehet-e. „Ha lennének, annak valami mélységes oka lenne” – mondta O'Dwyer.

Wagner és Papkou azt remélik, hogy a jövőbeni munkájuk során felfedezhetik a táj más változatait is. Papkou megjegyzi, hogy még egyetlen gén minden permutációját sem lehet átfogóan feltérképezni – a táj szinte azonnal csillagászati ​​méretűre robbanna. A laboratóriumban épített tájképek és elméleti modellek segítségével azonban még ma is lehetővé kell tenni annak feltárását, vajon az univerzális elvek támasztják-e alá azt, hogy egy fejlődő entitás hogyan változhat a környezetének megfelelően.

„A lényeg az, hogy a darwini evolúció meglehetősen könnyen elindulhat egy szuboptimális pozícióból, és a természetes szelekció erejével eléri a magas alkalmassági csúcsot” – mondta Papkou. – Elég megdöbbentő volt.

Quanta felméréssorozatot végez közönségünk jobb kiszolgálása érdekében. Vidd a miénket biológia olvasói felmérés és ingyenesen nyerhetsz Quanta áru.