Джонатан Лосос - Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов

Изучив механизм адаптации, мы разработаем медицинские контрмеры, чтобы применить их в тех случаях, когда задействован центральный ген. Беря образцы у пациента, мы сможем быстро секвенировать геном микроба и выяснить, присутствует ли в инфицирующем штамме конкретное генетическое изменение. Если да, тогда спускайте терапевтических «борзых». Если нет, ищите другие возможные причины. Рой Кишони, чья работа в этом смысле имела главное значение, высказался по существу, написав (совместно со студентом-магистрантом Адамом Палмером) следующее: «Даже скромная степень предсказуемости [116]может помочь улучшить терапевтические результаты, обеспечив возможность выбора препаратов, выбора между монотерапией или комбинаторной терапией и режима дозировки для определения основанных на генотипе методов лечения, которые наиболее действенны в случае эволюции резистентности».

Это один аспект разрекламированной «персонифицированной медицины», в которой терапевты способны определять конкретную причину болезни пациента, а затем лечить ее соответственно. И факт того, что некоторые микробные патогены эволюционировали конвергентно, делает данный подход гораздо более обоснованным.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ патогенных штаммов – не единственный метод, с помощью которого ученые пытаются понять эволюцию микробов и ее влияние на здоровье человека. Эволюционные эксперименты, столь ценные для улучшения нашего понимания эволюции микробов, также используются для поиска предсказуемых способов, с помощью которых микробы адаптируются к нападению на нас и отражают наши контрмеры.

В большинстве этих исследований эволюция резистентности к антибиотикам изучается на основе общего подхода, впервые предложенного Ленски, Рейни, Травизано и другими учеными: противостоять микробам с помощью различных средств и наблюдать за тем, как они адаптируются. На самом базовом уровне данные исследования ищут повторяемые эволюционные модели. Если у микробов раз за разом будет развиваться схожая резистентность, тогда исследователи смогут сконцентрировать свои усилия на том, чтобы воспрепятствовать этой конкретной эволюционной реакции.

Очень ценным примером подобной работы является эксперимент, осуществленный в лаборатории Кишони в Гарвардской медицинской школе, в том же самом месте, где проводилось исследование Burkholderia dolosa. В этом эксперименте нашего старого знакомого [117]E.coli поместили в специально сконструированные камеры для выращивания и подвергли воздействию одного из трех антибиотиков – хлорамфеникола, доксициклина и триметоприма, и эволюционная реакция длилась на протяжении двадцати дней (около трехсот пятидесяти генераций E.coli). Каждое воздействие повторялось по пять раз.

Целью исследования было проследить эволюцию резистентности к антибиотикам. Изначально бактерии, которые все получены от одного предка, не были резистентными и очень плохо росли в присутствии антибиотиков. Но очень скоро у них стала развиваться резистентность, и скорость роста увеличилась.

Популяции микробов продемонстрировали очень похожие модели адаптации к препаратам. Пять реплицированных популяций стабильно увеличивали свою резистентность ко всем трем антибиотикам – почти 1600-кратное увеличение роста в популяциях, подвергаемых воздействию хлорамфеникола. В конце эксперимента ученые секвенировали геномы клеток каждой из пятнадцати популяций и сравнили их с геномом предковой популяции.

Как и в случае с большинством предыдущих экспериментальных исследований микробной адаптации, инициированной идентичными штаммами, пять популяций, подвергшихся воздействию триметоприма, эволюционировали очень похоже. Принцип действия триметоприма – в обезвреживании фермента дигидрофолатредуктазы (DHFR) в E.coli. Таким образом, неудивительно, что контрстратегия E.coli заключается в том, чтобы видоизменить DHFR так, чтобы препарату было сложно распознать ген и усилить выработку в нем фермента. Почти все изменения, происходившие в пяти популяциях, наблюдались в DHFR.

Всего в этом гене было обнаружено семь различных мутаций: одна из них происходила во всех пяти популяциях, другая – в четырех, и все, за исключением одной, случились, как минимум, в двух популяциях. Если не считать мутаций в гене DHFR, случились лишь три дополнительные, каждая в разном гене и только в одной популяции.

Учитывая высокий уровень повторяемой эволюции определенных мутаций, исследователи секвенировали образцы DHFR из каждой популяции в каждый день эксперимента и обнаружили устойчивый порядок возникновения мутаций. Причем мутации одинаковые или похожего действия неизбежно предшествовали другим. Иными словами, эволюция резистентности триметоприма в E.coli крайне повторяема. Что касается популяций, подвергнутых воздействию двух других антибиотиков, то здесь результаты были совершенно другими. Даже несмотря на то что степень резистентности, возникшей среди пяти репликатов к каждому препарату, к концу эксперимента была схожей, изучение генетических изменений выявило преимущественно разные мутации, возникшие в каждой популяции.

Почему E.coli эволюционирует повторно похожим образом: реагирует на один препарат, но ведет себя непредсказуемо в отношении двух других, неясно. Тем не менее результаты указывают на то, что разработать общие решения проблемы резистентности к антибиотикам будет легче для триметоприма, чем для двух других препаратов.

РАНЕЕ Я УПОМИНАЛ о том, что некоторым ученым не нравится покидать стерильные стены лаборатории, когда дело касается проведения эксперимента. Полевые исследования – это слишком много шума и неконтролируемых, сбивающих с толку переменчивых факторов. Данная тревога особенно обоснована в отношении конвергентной эволюции: если среды неодинаковы, тогда отсутствие конвергенции может быть просто результатом разного давления отбора. В ходе недавно проведенного исследования на речной колюшке было обнаружено именно это. Поначалу ученые из Техасского университета были озадачены отсутствием конвергенции среди популяций, которые независимо друг от друга колонизировали разные протоки.

Но когда они изучили их лучше, причина стала ясна: разница в качестве воды и растительности в реках могла определять фенотипические различия и отсутствие конвергенции [118]среди популяций рыб. Конечно, похожее объяснение – небольшая разница в среде обитания – могло оправдывать отсутствие конвергенции в штаммах M.tuberculosis P.aeruginosa, населяющих организмы разных людей, или, кстати, любой случай неконвергенции. Некоторые ученые с недоверием относятся [119]к отсутствию конвергентных реакций в контролируемых лабораторных исследованиях. Возможно, даже самого легкого отличия одной пробирки от другой – доли градуса температуры или чуть большего количества солнечного света, поступающего из ближайшего окна, – может быть достаточно для того, чтобы привести к разному давлению отбора и, следовательно, к неконвергентной адаптации.