Vi khuẩn tiến hóa có thể vượt qua các rào cản để đạt được thể lực 'đỉnh cao' | Tạp chí Quanta

Gần một thế kỷ trước, nhà lý thuyết tiến hóa Sewall Wright đã tưởng tượng ra cảnh quan gồm có núi và thung lũng. Các đỉnh đại diện cho các trạng thái thích hợp tiến hóa cao của sinh vật, trong khi các đáy giữa chúng đại diện cho các trạng thái thích hợp tiến hóa thấp. Các sinh vật có thể di chuyển qua cảnh quan bằng một quá trình đột biến, leo lên các đỉnh cao vì gen thay đổi của chúng giúp chúng đạt được mức độ thích nghi cao hơn.

Wright, người sáng lập ngành di truyền học quần thể hiện đại, bị thu hút bởi một nghịch lý rõ ràng: Nếu một quần thể sinh vật có thể lên đến đỉnh một ngọn đồi nhỏ, chúng sẽ bị bỏ rơi ở đó, bị bao quanh bởi những trạng thái tồi tệ hơn. Họ không thể đạt đến những đỉnh cao hơn nếu không vượt qua vùng đất ảm đạm bên dưới, điều mà chọn lọc tự nhiên thường không cho phép.

Trong suốt một trăm năm qua, các nhà sinh học tiến hóa đã sử dụng các mô hình toán học và ngày càng nhiều các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với các sinh vật sống để khám phá cách các quần thể ở mọi quy mô có thể di chuyển qua các cảnh quan phù hợp (đôi khi được gọi là cảnh quan thích nghi). Bây giờ, trong một nghiên cứu vừa được công bố in Khoa họcCác nhà nghiên cứu đã thiết kế hơn một phần tư triệu phiên bản của một loại vi khuẩn thông thường và lập biểu đồ hoạt động của từng chủng để tạo ra một trong những cảnh quan thích nghi được xây dựng trong phòng thí nghiệm lớn nhất từ ​​trước đến nay. Nó cho phép họ đặt câu hỏi: Đi từ một điểm bất kỳ lên đến đỉnh cao khó đến mức nào?

Điều đáng ngạc nhiên là hầu hết các vi khuẩn đều có thể vượt qua được hoàn cảnh khó khăn: Khoảng XNUMX/XNUMX số chủng có lộ trình tiến hóa khả thi để kháng thuốc kháng sinh. Những phát hiện này ủng hộ ý tưởng, được chỉ ra bởi công trình lý thuyết trước đó, rằng có thể dễ dàng tránh được những “thung lũng” về thể lực hơn người ta nghĩ. Họ cũng mở ra cơ hội hiểu rõ hơn về cách các quần thể thực tế - của vi khuẩn và có lẽ cả các sinh vật khác - có thể thay đổi dưới áp lực của chọn lọc tự nhiên.

Trong nhiều thập kỷ, việc khám phá các cảnh quan phù hợp chủ yếu là nơi dành cho các nhà lý thuyết làm việc với các sinh vật mô phỏng hoặc các nhà thực nghiệm tiên phong làm việc ở quy mô tương đối nhỏ. Nhưng với sự phát triển của công nghệ chỉnh sửa gen dễ dàng và rẻ tiền, nhóm nghiên cứu đằng sau bài báo mới tự hỏi liệu họ có thể xây dựng một cảnh quan thích nghi rất rộng lớn bằng cách sử dụng các sinh vật sống hay không. Andreas Wagner, giáo sư sinh học của Đại học Zurich và là tác giả của bài báo mới.

Họ quyết định vẽ biểu đồ tác động thích hợp của một gen duy nhất ở vi khuẩn Escherichia coli. Dihydrofolate reductase, enzyme mà gen này mã hóa, là mục tiêu của kháng sinh trimethoprim và đột biến gen có thể khiến vi khuẩn kháng thuốc. Wagner và các đồng nghiệp của ông, bao gồm cả tác giả chính Andrei Papkou, một postdoc tại Đại học Zurich, đã tạo ra hơn 260,000 chủng khác biệt về mặt di truyền của E. coli, mỗi loại sử dụng một hoán vị khác nhau của chín axit amin trong lõi chức năng của phiên bản enzyme của nó.

Họ đã nuôi các chủng này với sự có mặt của trimethoprim và theo dõi những chủng nào phát triển mạnh. Sơ đồ dữ liệu của họ cho thấy một cảnh quan với hàng trăm đỉnh có độ cao khác nhau, thể hiện mức độ từng biến thể di truyền (kiểu gen) cho phép vi khuẩn trốn tránh thuốc.

Sau đó, các nhà nghiên cứu xem xét mức độ khó khăn để các chủng khác nhau tiến hóa để đạt đến một trong những đỉnh cao nhất. Đối với mỗi kiểu gen, họ tính toán chuỗi đột biến cần thiết để biến nó thành một trong những chủng có khả năng kháng thuốc cao.

Như Wright đã dự đoán từ nhiều thập kỷ trước, một số con đường kết thúc ở đỉnh thấp và không còn cơ hội để cải thiện thêm. Nhưng nhiều con đường - những con đường mà qua đó, mỗi lần một đột biến, các sinh vật có thể thay đổi kiểu gen của chúng - đã đạt đến điểm khá cao.

Wagner cho biết: “Chúng tôi có số liệu thống kê tốt về tần suất chúng bị mắc kẹt ở các đỉnh thấp. “Và nó không thường xuyên chút nào. … Bảy mươi lăm phần trăm dân số của chúng ta đạt đến tình trạng kháng thuốc kháng sinh có ý nghĩa lâm sàng.”

Điều đó phù hợp với những gì Sam Scarpino, một nhà sinh vật học và nhà lập mô hình bệnh tật, đồng thời là giám đốc AI + Khoa học đời sống tại Đại học Đông Bắc, cho biết ông sẽ mong đợi. “Họ có kết quả rất tốt đẹp mà chúng tôi đã dự đoán,” anh ấy nói và chỉ vào một bài viết lý thuyết gần đây khám phá mối quan hệ giữa độ chắc chắn và khả năng điều hướng của cảnh quan thể dục. Khi cảnh quan thể dục có chiều cao - khi chúng vượt xa ba chiều đơn giản trong trí tưởng tượng của hầu hết mọi người, chẳng hạn như chín chiều được sử dụng trong nghiên cứu của Wagner - các mạng lưới gen điều hòa rất khác nhau tạo ra các đặc điểm thể chất giống nhau có nhiều khả năng gần gũi hơn cùng nhau trên một cảnh quan hoặc được kết nối bằng một con đường dễ tiếp cận.

Ví dụ, Wagner và Papkou phát hiện ra rằng các đỉnh kháng kháng sinh cao nhất trong bối cảnh thí nghiệm của họ thường được bao quanh bởi các sườn dốc rất rộng tương đương chín chiều; trên thực tế, chúng có hình dạng giống núi Phú Sĩ hơn là Matterhorn. Kết quả là, nhiều kiểu gen bắt đầu ở đâu đó trên sườn của những đỉnh thể lực cao nhất, điều này giúp những chủng đó dễ dàng đạt đến đỉnh cao hơn.

James O'Dwyer, nhà sinh thái học lý thuyết tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign, lưu ý rằng không phải tất cả các đỉnh cao nhất sẽ thu hút phần lớn các kiểu gen. Nhưng trong bối cảnh này, điều đó dường như đã xảy ra.

Đó là lý do tại sao việc xây dựng cảnh quan thể dục như Wagner, Papkou và các đồng nghiệp của họ đã làm — những cảnh quan khổng lồ dựa trên sinh vật thực — là một bước quan trọng để thu hẹp khoảng cách giữa những gì chúng ta có thể cho là đúng và những gì thực sự tồn tại trong tự nhiên, trong các hệ thống phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta có thể cho là đúng. chúng ta có thể dễ dàng hình dung, nói Ben Kerr, giáo sư sinh học tại Đại học Washington. “Làm cách nào để chúng ta ánh xạ trực giác của mình… vào những tình huống không thuộc trải nghiệm của chúng ta?” anh ấy nói. “Người ta phải rèn luyện lại trực giác của mình. Điểm khởi đầu tốt là thực hiện điều đó trên dữ liệu thực nghiệm.”

Bối cảnh thể dục trong bài báo mới của Wagner rất rộng lớn, nó chỉ cho thấy khả năng của vi khuẩn trong một môi trường cụ thể. Nếu các nhà nghiên cứu thay đổi bất kỳ chi tiết nào - chẳng hạn như nếu họ thay đổi liều lượng kháng sinh hoặc tăng nhiệt độ - thì họ sẽ có được một cảnh quan khác. Vì vậy, mặc dù những phát hiện này dường như gợi ý rằng hầu hết E. coli chủng có thể tiến hóa khả năng kháng thuốc kháng sinh, kết quả đó có thể ít xảy ra hơn hoặc có nhiều khả năng xảy ra hơn trong thế giới thực. Tất cả những gì có vẻ chắc chắn là hầu hết các chủng có thể không bị phá hoại một cách không thể khắc phục được bởi những thành công nhỏ của chính chúng.

Do đó, các bước hấp dẫn tiếp theo cho nghiên cứu này có thể liên quan đến việc khám phá xem liệu bất kỳ quy tắc nào dường như chiếm ưu thế trong phiên bản bối cảnh của thử nghiệm có thể phổ biến rộng rãi hơn hay không. O'Dwyer nói: “Nếu đúng như vậy thì sẽ có lý do sâu xa nào đó dẫn đến điều đó.

Wagner và Papkou đang hy vọng khám phá những phiên bản khác của phong cảnh trong công việc tương lai. Papkou lưu ý rằng không thể lập bản đồ mọi hoán vị của dù chỉ một gen một cách toàn diện - cảnh quan sẽ bùng nổ đến kích thước thiên văn gần như ngay lập tức. Nhưng với những cảnh quan được xây dựng trong phòng thí nghiệm và các mô hình lý thuyết, ngày nay vẫn có thể bắt đầu khám phá liệu các nguyên tắc phổ quát có củng cố cách thức một thực thể đang phát triển có thể thay đổi để đáp ứng với môi trường của nó hay không.

“Điểm mấu chốt là: Quá trình tiến hóa theo thuyết Darwin khá dễ dàng bắt đầu ở vị trí dưới mức tối ưu và di chuyển nhờ chọn lọc tự nhiên đến đỉnh cao thích hợp,” Papkou nói. “Nó khá đáng kinh ngạc.”

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả sinh học và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.