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

Ученые сконцентрировали свое внимание на этих пяти мутациях и выяснили, приведет ли неизбежно естественный отбор к появлению пятикратно мутировавшего штамма, если изначально будет нерезистентный штамм с отсутствующими у него мутациями. Но вместо того, чтобы проводить эволюционные эксперименты, они создали штаммы E.coli со всеми возможными комбинациями пяти мутаций. Для каждого штамма они измерили устойчивость к цефотаксиму и задались вопросом: «Существует ли для каждого штамма такая мутация, которая способна усилить резистентность?» Так, к примеру, если взять штамм с двумя мутациями, то усилится ли его резистентность, если добавить еще одну? Для всех штаммов ответ был положительный. Все штаммы с одной мутацией в конечном итоге приобретали вторую, а все штаммы с двумя мутациями – третью и так далее. Вне зависимости от порядка возникновения мутаций неизбежным итогом становился штамм с пятью мутациями. Авторы исследования сделали вывод, что «пленка жизни [122]может быть в значительной степени воспроизводима и даже предсказуема».

Данное исследование – первоклассное и всеобъемлющее – привлекло к себе повышенное внимание как пример эволюционного детерминизма на генетическом уровне. Но была одна проблема: исследование ограничивалось только теми мутациями, которые были обнаружены в ультрарезистентном штамме. А как насчет других мутаций? Могли ли они помешать работе?

Чтобы выяснить это, группа датских ученых провела эволюционный эксперимент, который подразумевал, что сфера мутаций определяется любыми возникшими в ходе эксперимента явлениями, а не ограничивалась пятью центральными мутациями из предыдущего исследования. Если предоставить мутациям полную свободу [123], эволюционирует ли тогда суперштамм? Датская команда осуществила свой эксперимент теперь уже знакомым нам способом, подвергая двенадцать изначально похожих популяций воздействию препарата на протяжении нескольких генераций и высчитывая степень адаптивной эволюции.

Устойчивость к цефотаксиму возрастала по ходу эксперимента, но ее степень варьировалась: семь популяций стали заметно более резистентными, чем другие пять. Ученые секвенировали геномы каждой популяции и обнаружили, что одни и те же три мутации – три из пяти – эволюционировали преимущественно в одинаковом порядке в семи высокорезистентных популяциях [60]. И наоборот, минимум одна из этих трех мутаций не смогла эволюционировать в оставшихся пяти популяциях.

Гарвардское исследование суперштамма продемонстрировало, что одна конкретная мутация – G238S – единственная наиболее действенная в плане передачи резистентности к цефотаксиму. В датском исследовании у всех семи «экстремистов» сразу же возникла G238S, так же как и у трех из отстающих популяций.

Датские исследователи внимательнейшим образом изучили две популяции, у которых не возникло G238S, и определили первые приобретенные ими мутации – R164S в одной из популяций и А237Т в другой [61] Эти названия описывают изменения позиций аминокислоты. Первая буква – это предковая аминокислота, цифры означают позицию в гене, а вторая буква – это новая аминокислота, порожденная мутацией. . Ни одна из этих мутаций не возникла в остальных десяти популяциях. Более того, так как ни одной из этих мутаций не было среди пяти обнаруженных в суперрезистентном штамме, они не были включены в исследование гарвардской команды.

Тогда датчане начали эксперимент заново, но в этот раз с E.coli, которая включала одну из этих мутаций, пять популяций с R164S и пять с А237Т. И в очередной раз устойчивость к цефотаксиму со временем возрастала, но у всех десяти популяций в конечном итоге уровень резистентности был существенно ниже, чем у семи самых резистентных популяций из первого эксперимента. Примечательно, что ни у одной из этих популяций не возникла мутация G238S, но они действительно включали многие другие, не наблюдаемые у популяций с G238S.

Почему G238S несовместима с R164S и А237Т, не до конца ясно, но похоже, что эти мутации заставляют фермент сгибаться различными способами. Как только первая мутация меняет модель изгиба, вторая вызывает разрушающие перемены в новой конфигурации, и таким образом мутации, будучи поощряемыми по отдельности, не могут проявиться в комбинации. Это похоже на оригами: если ты начнешь делать слона, то уже не сможешь изменить направление по ходу и сделать рыбку.

Датское исследование – это прекрасный образец исторической контингентности, случайное событие, которое радикальным образом формирует последующий эволюционный исход. Популяции, у которых сначала случайно проявляются мутации G238S, могут пойти в одном направлении, и у них часто наблюдаются высокие уровни резистентности. Но те, у которых сначала возникают другие мутации, уже не идут по этому пути: как только они появились, мутация G238S уже невыгодна. И тогда адаптивная эволюция идет по другому пути, который приводит к менее ценному и менее резистентному пункту назначения.

Эксперимент гарвардской команды не предусматривал изначально поиск других генов, а потому исследователи не обнаружили то, насколько адаптация к цефотаксиму непредсказуема.

Разница в подходах и результатах гарвардского и датского исследований ярко демонстрирует, почему так сложно заранее прогнозировать ход эволюции, работая на генетическом уровне. Геном слишком крупная и сложная структура, чтобы выделить все относящиеся к нему мутации и предсказать, какие из них повлияют друг на друга и каким образом. Сам факт, что определенный набор мутаций ведет к высокоадаптивному результату, вовсе не означает, что эти мутации обязательно проявятся. Часто существует множество различных способов породить одинаковый генотип (вспомните шестнадцать разных генетических путей появления сморщенного заполнителя в P.fluorescence) и столько же различных решений одной и той же проблемы условий обитания. Вычислить заранее, какая из мутаций вероятней всего произойдет, а какая нет, почти во всех случаях будет за гранью наших возможностей.

Много очень умных людей работают сейчас над этой проблемой как на молекулярном, так и на теоретическом уровне, так что, возможно, наша способность давать завтрашний эволюционный прогноз, как и прогноз погоды, улучшится. Но сейчас наши возможности ограничены. А это, в свою очередь, означает, что лучший способ предсказать, что эволюционирует – посмотреть на то, что произошло в прошлом, либо в ходе эволюции, либо в результате эволюционных экспериментов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ микробной адаптации указывают на то, что определенная доля предсказуемости существует, и что эта повторяемость может стать основой для развития контрмер. Конечно, микробы не единственные современные организмы, эволюционирующие нам во вред.