Ewoluujące bakterie mogą ominąć bariery na drodze do „szczytowej” sprawności | Magazyn Quanta

Prawie sto lat temu teoretyk ewolucji Sewall Wright wyobraził sobie krajobraz gór i dolin. Piki reprezentowały stany wysokiej ewolucyjnej przydatności organizmów, podczas gdy doliny między nimi reprezentowały stany niskiej sprawności. Organizmy mogły przemieszczać się po krajobrazie w procesie mutacji, wspinając się na szczyty, ponieważ zmieniające się geny pomogły im osiągnąć większą sprawność.

Wrighta, twórcę współczesnej genetyki populacyjnej, zaintrygował pozorny paradoks: gdyby populacja organizmów zdołała dotrzeć na szczyt małego wzgórza, zostałaby tam uwięziona, otoczona gorszymi stanami. Nie mogły osiągnąć wyższych szczytów bez uprzedniego przejścia przez zastoje poniżej, na co normalnie dobór naturalny nie pozwoliłby.

W ciągu ostatnich stu lat biolodzy ewolucyjni korzystali z modeli matematycznych i coraz częściej eksperymentów laboratoryjnych na żywych organizmach, aby zbadać, w jaki sposób populacje każdej wielkości mogą poruszać się w krajobrazach przystosowania (czasami nazywanych krajobrazami adaptacyjnymi). Teraz w właśnie opublikowane badanie in naukabadacze opracowali ponad ćwierć miliona wersji pospolitej bakterii i sporządzili wykres działania każdego szczepu, aby stworzyć jeden z największych w historii laboratoryjnych krajobrazów adaptacyjnych. Umożliwiło im to zadanie pytania: Jak trudno jest dostać się z dowolnego punktu na szczyty?

Co zaskakujące, większość bakterii mogła pokonać nierówny krajobraz fitness: około trzy czwarte szczepów miało realną drogę ewolucyjną do oporności na antybiotyki. Odkrycia potwierdzają tezę wskazaną we wcześniejszych pracach teoretycznych, że „dolin” w sprawności można łatwiej uniknąć, niż mogłoby się wydawać. Otwierają także drzwi do lepszego zrozumienia, jak rzeczywiste populacje – bakterii, ale także innych organizmów – mogą zmieniać się pod presją doboru naturalnego.

Przez wiele dziesięcioleci eksploracja krajobrazów fitness była przede wszystkim domeną teoretyków pracujących z symulowanymi organizmami lub pionierskich eksperymentatorów pracujących na stosunkowo małą skalę. Jednak wraz z pojawieniem się łatwej i niedrogiej technologii edycji genów autorzy nowego artykułu zastanawiali się, czy mogliby zbudować bardzo duży krajobraz adaptacyjny przy użyciu żywych organizmów, powiedział Andreasa Wagnera, profesor biologii na Uniwersytecie w Zurychu i autor nowej pracy.

Postanowili wykreślić wpływ przystosowania pojedynczego genu w bakterii Escherichia coli. Reduktaza dihydrofolianowa, enzym kodowany przez ten gen, jest celem antybiotyku trimetoprimu, a mutacje w genie mogą sprawić, że bakteria stanie się oporna na lek. Wagnera i jego współpracowników, w tym głównego autora Andriej Papkou, postdoc na Uniwersytecie w Zurychu, stworzył ponad 260,000 XNUMX genetycznie odrębnych szczepów E. coli, z których każdy wykorzystywał inną permutację dziewięciu aminokwasów w rdzeniu funkcjonalnym swojej wersji enzymu.

Hodowali te szczepy w obecności trimetoprimu i monitorowali, które z nich dobrze się rozwijają. Wykres danych ukazał krajobraz z setkami szczytów o różnej wysokości, co pokazuje, jak dobrze każdy z wariantów genetycznych (genotypów) umożliwiał bakteriom unikanie leku.

Następnie naukowcy sprawdzili, jak trudno byłoby różnym szczepom ewoluować, aby osiągnąć jeden z najwyższych szczytów. Dla każdego genotypu obliczyli, jaka seria mutacji będzie konieczna, aby przekształcić go w jeden z wysoce opornych szczepów.

Jak Wright przewidział kilkadziesiąt lat temu, niektóre ścieżki kończyły się na niskich szczytach, które nie pozostawiały możliwości dalszej poprawy. Jednak wiele ścieżek – dróg, za pomocą których organizmy mogą zmieniać swoje genotypy, jedna mutacja na raz – osiągnęło dość wysokie punkty.

„Mamy dobre statystyki dotyczące tego, jak często utkną na niskich szczytach” – powiedział Wagner. – I wcale nie zdarza się to często. … Siedemdziesiąt pięć procent naszej populacji osiąga klinicznie istotną oporność na antybiotyki”.

To się zgadza z czym Sama Scarpino, biolog i specjalista ds. modelowania chorób, dyrektor AI + Life Sciences na Northeastern University, powiedział, że się tego spodziewa. „Otrzymali bardzo ładny wynik, który przewidzieliśmy” – powiedział, wskazując na niedawny artykuł teoretyczny badanie związku między wytrzymałością a żeglownością krajobrazów fitness. Kiedy krajobrazy sprawności fizycznej są wielowymiarowe – kiedy wykraczają poza proste trzy wymiary wyobraźni większości ludzi i sięgają, powiedzmy, dziewięciu wymiarów użytych w badaniu Wagnera – bardzo różne sieci genów regulacyjnych, które wytwarzają te same cechy fizyczne, są bardziej prawdopodobne, że będą sobie bliskie razem w krajobrazie lub połączone dostępną ścieżką.

Na przykład Wagner i Papkou odkryli, że najwyższe szczyty oporności na antybiotyki w ich środowisku doświadczalnym były często otoczone dziewięciowymiarowym odpowiednikiem bardzo szerokich zboczy; w efekcie miały kształt bardziej przypominający górę Fuji niż Matterhorn. W rezultacie wiele genotypów miało swój początek gdzieś na zboczach najwyższych szczytów sprawnościowych, co ułatwiło tym odmianom dotarcie na szczyt.

Nie było pewne, że najwyższe szczyty przyciągną zdecydowaną większość genotypów, zauważył James O'Dwyer, ekolog teoretyczny z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign. Ale w tym krajobrazie wydaje się, że tak właśnie było.

Dlatego budowanie krajobrazów fitness, jak to zrobili Wagner, Papkou i ich współpracownicy – ​​ogromnych, opartych na prawdziwych organizmach – jest ważnym krokiem w zasypywaniu luki między tym, co możemy założyć, że jest prawdziwe, a tym, co faktycznie istnieje w naturze, w systemach o wiele bardziej złożonych niż możemy to łatwo sobie wyobrazić, powiedział Ben Kerra, profesor biologii na Uniwersytecie Waszyngtońskim. „Jak mapujemy naszą intuicję… na sytuacje, które nie są częścią naszego doświadczenia?” powiedział. „Trzeba przeszkolić swoją intuicję. Dobrym punktem wyjścia jest zrobienie tego na podstawie danych empirycznych.”

Choć krajobraz fitness opisany w nowej pracy Wagnera jest ogromny, pokazuje jedynie, do czego zdolne są bakterie w jednym, konkretnym środowisku. Gdyby badacze zmienili jakiekolwiek szczegóły – powiedzmy zmienili dawkę antybiotyku lub podnieśli temperaturę – uzyskaliby inny obraz. Chociaż ustalenia wydają się na to wskazywać najbardziej E. coli szczepy mogą rozwinąć oporność na antybiotyki, wynik ten może być albo znacznie mniej prawdopodobny, albo znacznie bardziej prawdopodobny w prawdziwym świecie. Wszystko, co wydaje się pewne, to to, że większość odmian prawdopodobnie nie jest nieodwracalnie sabotowana przez swoje własne drobne sukcesy.

Intrygujące kolejne kroki w tych badaniach mogą zatem obejmować zbadanie, czy którakolwiek z zasad, które wydawały się dominować w eksperymentalnej wersji krajobrazu, może być szerzej uniwersalna. „Gdyby tak było, istniałby ku temu jakiś głęboki powód” – powiedział O'Dwyer.

Wagner i Papkou mają nadzieję zbadać w przyszłych pracach inne wersje krajobrazu. Papkou zauważa, że ​​nie jest możliwe kompleksowe mapowanie każdej permutacji nawet pojedynczego genu – krajobraz niemal natychmiast eksplodowałby do rozmiarów astronomicznych. Jednak dzięki laboratoryjnym krajobrazom i modelom teoretycznym nadal powinno być możliwe rozpoczęcie badania, czy uniwersalne zasady leżą u podstaw tego, jak ewoluująca jednostka może zmieniać się w odpowiedzi na swoje otoczenie.

„Konkluzja jest taka: ewolucja darwinowska dość łatwo może rozpocząć się w pozycji suboptymalnej i w wyniku doboru naturalnego przejść do szczytu o wysokim stopniu przystosowania” – powiedział Papkou. „To było dość zadziwiające.”

Quanta przeprowadza serię ankiet, aby lepiej służyć naszym odbiorcom. Weź nasze ankieta czytelnicza biologii i zostaniesz wpisany, aby wygrać za darmo Quanta towar.