I det langsigtede eksperiment blev en fasedannelse af evolutionær innovation registreret • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elementerne" • Evolution, Mikrobiologi, Genetik

I det langsigtede eksperiment blev en fasedannelse af evolutionær innovation registreret.

Fig. 1. Ara-3-befolkningens evolutionære historie, hvor bakterier lærte at spise citrat. Tal til venstre – generationer cirkler 29 kloner er angivet på træet, hvis genomer er blevet sekventeret. Flerfarvede områder Der er fem hovedskatter (evolutionære linjer): UC ("mislykket clade", hurtigt udslettet tidlig linje), Clade 1, Clade 2, Clade 3 ("Potentierede" klader med en øget sandsynlighed for fremkomsten af ​​Cit-fænotypen+, det vil sige evnen til at spise citrat), New cit+ clade – en skat, der er i stand til at fodre på citrat, afledt af clade 3 efter 31.000 generationer (cit+ udvikler). Efter 33.000 generationer i bakterier, Cit+ der var en mutation, der dramatisk øger mutagenesen (Mutator udvikler sig). Øverst på billedet viser resultaterne af gentagne evolutionære eksperimenter (replays) med frosne repræsentanter for skat 1, 2 og 3. Repræsentanter for klade 1 udviklede Cit-fænotypen+ i to tilfælde ud af 55 forsøg, clade 2 – i to tilfælde ud af 97, clade 3 – i otte tilfælde ud af 37. Repræsentanter for den oprindelige stamme stamme har en ubetydelig sandsynlighed for udseendet af Cit fænotype+. Diagrammet nederst til højre viser graden af ​​akkumulering af mutationer, der er dramatisk forøget i bakterier Cit+ (røde cirklerefter udseendet af fænotypen mutator. Figur fra den diskuterede artikel i natur

Under det langsigtede evolutionære eksperiment på bakterier E. coli i en af ​​de 12 forsøgspopulationer efter 31.000 generationer, fremkom en ny nyttig funktion – evnen til at spise citrat under aerobiske forhold. Som det viste sig, fandt dannelsen af ​​evolutionær innovation sted i tre faser. Ved første fase ("potentiering") blev mutationer rettet, som hjælper med at udnytte citrat, hvis det er i cellen. Gentagne eksperimenter med optøede repræsentanter for forfædre generationer viste, at der var mindst to potentierende mutationer: en opstod efter 15.000 generationer, den anden efter 20.000. I anden fase ("aktualisering") ændrede reguleringen af ​​genet CITTansvarlig for absorptionen af ​​citrat fra det ydre miljø. Som et resultat begyndte genet at arbejde i nærværelse af ilt, selvom det normalt var E. coli Det virker kun under anaerobe forhold. Dette førte til udseendet af en mild "rudimentær" evne til at anvende citrat i fødevarer. Endelig blev den nye funktion ved "dyrkningsstadiet" gentagne gange forbedret på grund af adskillige duplikationer (dublinger) af et fragment af kromosomet, der bærer det aktiverede gen. CITT. Først derefter steg antallet af mutante bakterier og de blevdominere dens befolkning. En sådan gradvis udvikling er sandsynligvis også karakteristisk for andre evolutionære innovationer.

"Elements" har allerede talt om et langsigtet evolutionært eksperiment startet i 1988 af en international gruppe forskere ledet af Richard Lenski (se Richard E. Lenski) – se: Resultaterne af et evolutionært eksperiment 40.000 generationer var opsummeret, Elements, 02.11.2009; I det langsigtede evolutionære eksperiment blev udvælgelsen for "evolutionært perspektiv", "Elements", 25.03.2011 afsløret.

12 eksperimentelle populationer af E. coli (E. coli) lever under aerobe forhold i et gennemsigtigt flydende medium, hvor glukose er den eneste fødevare. Med et interval på en dag tages en lille del fra hver population og transplanteres i en ny kolbe med et næringsmedium. Der multipliceres bakterierne hurtigt, indtil glucoseserverne er udmattede. I løbet af hver dagcyklus erstattes den indledende periode med overflod, når befolkningens størrelse vokser hurtigt (antallet anslås af miljøets turbiditet), erstattes af en periode med sult, når bakterierne ophører med at formere sig, og deres antal stabiliseres.

Efter 31.000 generationer i en af ​​12 populationer (dens symbol er Ara-3), skete der noget mærkeligt. Hendes nummer fortsatte nu at vokse, efter at alt glukose i kolben blev spist.Ved udgangen af ​​den daglige cyklus var befolkningsstørrelsen af ​​Ara-3 meget højere end i de øvrige populationer. Naturligvis har mikrober lært at bruge mad i noget stof, der er en del af miljøet, men uspiselige til almindelige tarmspidser.

Snart fandt Lenski og hans kollegaer ud af, at bakterierne fra Ara-3-befolkningen fik evnen til at spise citrat (citronsyre). Citrat tilsættes til mediet som et hjælpestof (chelateringsmiddel). Normale bakterier E. coli Kun absorbere citrat under anaerobe forhold. Manglende evne til at spise citrat i nærværelse af ilt er en af ​​de endelige egenskaber ved denne type bakterier. Således viste den nuværende "evolutionære innovation" sig i Ara-3-befolkningen – et nyt nyttigt træk (forfatterne identificerede det som Cit+), ændrede organismernes forhold med miljøet og tillod de mutante bakterier at øge deres tal og blive dominerende i befolkningen. Nysgerrig at bakterier cit+ skubbet ikke ud til slutningen af ​​bakterierne Citder spiser kun glucose. Måske forklares deres langsigtede fredelige sameksistens af adskillelsen af ​​nicher, men det er stadig kun en hypotese.

Udformningen af ​​et langsigtet eksperiment giver os mulighed for at spore dannelsen af ​​evolutionær innovation i alle genetiske detaljer. Det var til løsning af sådanne problemer, at eksperimentet blev sat. Nogle medlemmer af hver population er periodisk frosne. Det påvirker ikke mikrobernes sundhed. De kan til enhver tid blive optøet og brugt til gentagne forsøg. Dette gør det især muligt at estimere sandsynligheden for en evolutionær begivenhed: hvor tilfældig eller regelmæssig var det.

Forfatterne sekventerede genomerne af 29 bakterier fra Ara-3-populationen, frosne på forskellige tidspunkter. Dette tillod os at bygge et evolutionært træ, vist i fig. 1. Det viste sig, at befolkningen forblev genetisk forskellig i næsten hele sin historie. Som et resultat af mutationer og udvælgelse fra en forfædre klon blev der opnået flere genetisk forskellige linjer (skat), men de skyndte sig ikke at samle hinanden. Mest sandsynligt betyder det, at de fleste af de genetiske forskelle mellem kladerne var neutrale, det vil sige, at de ikke påvirker fitness (og i nogle tilfælde, som allerede nævnt, kunne gensidig tilpasning og opdeling af nicher forekomme).

Forskere har identificeret en specifik genetisk forandring, der tillod bakterier at spise citrat. Cit mikrober forvandlet til et cit+ på grund af overlapning (fordobling) af et kromosomfragment indeholdende genet CITT (Fig. 2). Dette gen koder for et protein, som transporterer citrat fra det ydre miljø til cytoplasmaet i en bakteriel celle. I normale i E. coli gen CITT aktiv kun under anaerobe forhold. Som et resultat af overlapning er en af ​​to kopier CITT kom under kontrol af promotoren fra et andet nabostund (RNK). Ved hjælp af gentekniske eksperimenter viste forfatterne at promotoren af ​​genet RNK sikrer arbejdet i det gen, det kontrollerer under aerobe forhold.

Fig. 2. Tandem-duplikation, hvilket førte til evnen til at fodre på citrat i bakterier fra Ara-3-populationen. og – plot af forkammerets kromosom b – det samme område efter overlapning. arrow og snørehuller genpromotorer er angivet rna og RNK, der sikrer disse geners arbejde under aerobiske forhold. Som følge af gent duplikering CITTkodende for en transportør af citrat, var under kontrol af genpromotoren RNK og begyndte at blive udtrykt i nærværelse af ilt.Figur fra den diskuterede artikel i natur

Efter at have behandlet karakteren af ​​nøglemutationen, stillede forfatterne følgende spørgsmål: var udseendet af Cit-fænotypen?+ i klap 3 er Ara-3-befolkningen fuldstændig tilfældig? Kunne denne begivenhed være sket med samme succes i et andet klade eller i en anden befolkning, eller var den forberedt af den tidligere udvikling af dette særlige klade? På udkig efter et svar udførte forfatterne gentagne evolutionære eksperimenter med optøede repræsentanter for klader 1, 2 og 3 såvel som med den oprindelige (forfædre) stamme.

Det viste sig, at stamfældningen af ​​sandsynligheden for fremkomsten af ​​fænotypen Cit+ ubetydelig. Repræsentanter for klade 1 udviklede denne fænotype i to gentagne forsøg fra 55. Mikrober fra klade 2 lærte at spise citrat i to tilfælde fra 97. Endelig erhvervede bakterier fra klade 3 denne evne i otte tilfælde fra 37 gentagne forsøg.

Erhvervelse af Cit Phenotype+ i alle tilfælde skyldtes det faktum, at genet CITT begyndte at udtrykke sig under aerobe forhold. Men dette resultat blev opnået på forskellige måder. Hvad angår gentagne forsøg, såvel som i det vigtigste langsigtede eksperiment, er der opstået tandem-duplikationer, på grund af hvilke CITT Det blev styret af en aerob promotor.Men grænserne for de duplikerede steder i forskellige tilfælde var forskellige, og promotoren, som overtog forvaltningen af ​​genet CITTvar ikke altid promotoren af ​​genet RNK: i et tilfælde var det en genpromotor rna. I flere gentagne forsøg blev den samme effekt opnået uden dobbeltarbejde – takket være inkorporering af det mobile genetiske element IS3 i den kodende del af genet citGplaceret ved siden af ​​til CITT (til venstre). Dette mobile element har bare en egnet promotor.

Gentagne forsøg har vist, at sandsynligheden for at erhverve et nyttigt træk Cit+ gradvist voksede i serien "forfædre stamme – klader 1 og 2 – klade 3". Udseendet af denne funktion i clade 3 var derfor ikke en tilfældighed. Mikrober blev forberedt på dette i forvejen – "forstærkede". Med andre ord havde de nogle mutationer rettet i løbet af den foregående udvikling, som i sig selv ikke gav mulighed for at spise citrat, men øgede sandsynligheden for udviklingen af ​​denne evne i fremtiden. Naturligvis blev "potentierende" mutationer ikke rettet, fordi mikrober planlægger deres udvikling på forhånd. Disse mutationer var enten neutrale og låst ved en tilfældighed, eller var nyttige til noget andet.Forberedelse for at erhverve evnen til at spise citrat var en bivirkning, som det naturlige valg ikke kunne have forudset.

Hvilke mutationer karakteristiske for clade 3 spillede rollen som "potentiatorer" er endnu ikke blevet etableret. En god kandidat er en mutation i genet. arcB, fordi skaden af ​​dette gen aktiverer tricarboxylsyrecyklussen – en biokemisk vej, der gør det muligt for cellen effektivt at udnytte citrat (hvis cellen pludselig kan få det et sted i store mængder). Måske genskader arcB drejede mutationer, der aktiverer transporten af ​​citrat i cellen, fra neutral eller skadelig til nyttig? Forudsætningen ser sandsynlig ud, men forfatterne har endnu ikke formået at bekræfte det eksperimentelt.

Men de kunne bekræfte det nogle Kød 3's genetiske egenskaber gør virkelig evnen til at absorbere citrat fra det eksterne miljø mere nyttigt. For at sikre dette, indsatte de flere kopier af genet til repræsentanter for stammen stamme og skat 1-3. CITT under kontrol af den aerobiske promotor. Med andre ord gav de mikroberne mulighed for at absorbere citrat fra det ydre miljø – og de så ud til at se, om denne evne ville gavne dem.

Repræsentanter for alle genetisk modificerede stammer fik evne til at fodre på citrat, men i meget anderledes grad. Mikrober fra clade 3 gjorde det bedst af alt: de skiftede hurtigt fra glucose til citrat og voksede godt på rent citrat. Mikrober fra skat 2 og 1 klarte meget værre: de havde brug for mere tid til at skifte, og de voksede på citrat langsommere. Forfædres stammen brugte citrat endnu mindre effektivt. For at skifte til strømforsyningen med citrat efter udtømning af glucoseserver, tog det cirka to dage. Af den måde betyder det, at han i et langtidsforsøg ikke ville få nogen gavn af den mutation, der skabte Cit-fænotypen+ i clade 3: Ingen ville give ham to dage til at tænke over det, fordi bakterierne blev transplanteret til et nyt miljø med glukose hver dag.

Disse resultater, såvel som statistikker over gentagne evolutionære forsøg, viser, at "potentiering" fandt sted i mindst to faser. Sandsynligheden for dannelsen af ​​fænotypen Cit+ voksede i overgangen fra stamme stamme til klader 1 og 2 og steg igen, når klade 3 blev dannet.

Interessant nok var de første repræsentanter for Ara-3-befolkningen, hvor efter fænomenet 31.000 blev Cit-fænotypen registreret+, citrat var stadig meget ineffektivt, selvom de allerede havde begge "potentierende" mutationer og tandem-duplikationen vist i fig. 2b. Den nye funktion var først ekstremt fejlfri og gav kun en næppe mærkbar fordel. I forlængelse af den videre udvikling er effektiviteten af ​​citrat anvendelse af cit+ voksede hurtigt. Forfatterne lykkedes at dechiffrere en af ​​forbedringsmekanismerne: et DNA-fragment med et aktiveret gen CITT simpelthen gennemgik et par flere duplikationer. Dette har tilsyneladende accelereret absorptionen af ​​citrat fra det ydre miljø.

Dermed opstod dannelsen af ​​evolutionær innovation i tre faser. I første fase (potentiering, potensering) mutationer blev rettet, hvilket øgede sandsynligheden for et tegn i fremtiden. I anden fase (opdatering, aktualisering) optrådte og blev understøttet af udvælgelse af en nøgle mutation, der viste mikrober Cit i cit+. Sandt nok var det nye tegn først defineret dårligt og gav næsten ingen fordel. Ved den endelige, tredje fase (forbedring, raffinement) tegn gradvist optimeret. Som et resultat er dets anvendelighed vokset mange gange.

Forbedring er en proces, der kan foregå i lang tid. Imidlertid er begivenhederne i Ara-3-befolkningen efter generation nr. 35.000 vanskelige at analysere.På dette tidspunkt blandt mikrober Cit+ en mutation har spredt, der øger mutagenesenes hastighed med ca. 20 gange (fænotypen mutator). Sådanne "mutatorer" optrådte ikke kun i Ara-3, men også i flere andre populationer. At finde blandt hundredvis af nye mutationer er de, der er relateret til forbedringen af ​​citrat ernæring, stadig en vanskelig opgave. Men frosne bakterier har ikke travlt og vil stille vente på fremkomsten af ​​nye forskningsteknikker og -udstyr.

Kilde: Zachary D. Blount, Jeffrey E. Barrick, Carla J. Davidson, Richard E. Lenski. Analyse af en nyskabende innovation i Escherichia coli populationen // eksperimentelle // natur. Udgivet online 19. september 2012.

Se også:
1) Resultaterne af et evolutionært eksperiment med en længde på 40.000 generationer, "Elements", 02.11.2009.
2) I det langsigtede evolutionære eksperiment blev udvælgelsen for "evolutionært perspektiv", "Elements", 25.03.2011 afsløret.
3) Multifunktionelle gener – grundlaget for evolutionære innovationer, "Elements", 06/30/2008.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: