Эволюция в пробирке, или Как быстро бактерия приобретает новый признак

Эксперимент позволил увидеть три молекулярных этапа эволюции, в ходе которой бактерии научились использовать в качестве источника энергии новый субстрат, до сих пор недоступный для них.

Опыт, который поставили исследователи из Мичиганского университета (США), длился больше двадцати лет: начался он в 1988 году, а его результаты были опубликованы только сейчас в журнале Nature. Обычно в таких случаях речь идёт о длительных эволюционно-экологических наблюдениях. В общем, так оно было, только учёные наблюдали не за птицами и зверями, а за бактериями. Их интересовало, как будет двигаться эволюция кишечной палочки, которую поставили в трудные условия.

Бактерий расселили по двенадцати культурам и обеспечили их питательными веществами — но только на несколько часов роста. На следующий день им снова давали питательные вещества, которых опять хватало лишь на несколько часов. Смысл эксперимента был в том, чтобы заставить бактерии использовать альтернативные источники энергии. К 2008 году одна из двенадцати культур вдруг стала интенсивно расти — оказалось, бактерии научились использовать лимонную кислоту. Её добавляли в питательную смесь, но обычно кишечная палочка лимонную кислоту не замечает.

В течение всей этой истории через каждые несколько тысяч поколений из бактериальных колоний отбирались образцы. Из них можно было взять ДНК для анализа мутаций, а можно было пустить снова в рост — то есть как бы отмотать эволюционную ленту чуть назад и запустить её заново с предыдущего «кадра». Чтобы представить объём работы, с которым пришлось столкнуться учёным, достаточно сказать, что за время эксперимента у бактерий сменилось более 56 тысяч поколений.

Кишечные палочки научились использовать лимонную кислоту где-то в районе 31-тысячного поколения, но происходило это не сразу, а в три этапа. Сначала, по словам авторов статьи, в бактериальной клетке происходит подготовка почвы для будущих изменений. Появляются мутации (по меньшей мере пара), которые новых возможностей ещё не открывают, но без которых освоить новый питательный субстрат просто не получится. Затем происходит актуализация этих самых новых возможностей: бактерии в принципе могут потреблять лимонную кислоту, но делают это ещё плохо. Наконец, на третьем этапе происходит настройка новых умений, бактерии учатся эффективно осваивать новый источник энергии.

На самом деле, у кишечной палочки есть белок, который способен переправлять лимонную кислоту в клетку. Но обычно его ген молчит — кислород вокруг подавляет его активность. И на первом этапе происходит мутация: этот ген удваивается (дуплицируется), и его копия перестаёт зависеть от присутствия/отсутствия кислорода в среде, теперь она подчиняется другому регуляторному механизму. Но чтобы эта мутация произошла, у бактерии должны быть ослаблены системы контроля над мутациями, и подготовительный этап состоит как раз в том, что молекулярные машины, следящие за состоянием ДНК, теряют бдительность — опять же, вследствие мутаций.

Новая копия гена позволяет кишечной палочке работать с лимонной кислотой, но особых преимуществ не даёт. Чтобы получать от нового умения полноценную выгоду, бактерии делают ещё несколько копий гена. (По словам исследователей, три копии уже дают их обладателям заметное эволюционное преимущество.) Авторы подчёркивают, что использование лимонной кислоты в качестве источника энергии — абсолютно новая черта для кишечной палочки, так что им в буквальном смысле удалось воссоздать эволюцию. Кроме того, они экспериментально показали, что возникновение нового признака требует не одной мутации, а комплексного изменения в геноме, даже если речь идёт о таком простом организме, как бактерия.

Исследователи пытались вмешаться в более ранние стадии эволюции, искусственным путём добавляя новые копии нужного гена. Бактерии приобретали способность усваивать лимонную кислоту, но делали это неохотно, и ни о каком взрывном росте не могло быть и речи. Как было сказано, невооружённым глазом эволюционное преимущество можно было заметить на 31–33 тысяче поколений, но самые первые изменения в эту сторону начинались гораздо раньше, в районе 20-тысячного поколения.

Ценность этого эксперимента трудно переоценить, поскольку он наглядно иллюстрирует положения эволюционной теории, которые до сих вызывают сомнения у некоторых персонажей. Нельзя сбрасывать со счетов и практическое применение полученных результатов — с их помощью можно, наверное, рассчитать, как скоро у бактерий возникнет устойчивость к новому антибиотику.

Подготовлено по материалам Мичиганского университета.