Гены предков. Технология рекомбинации ДНК.

Команда ученых из Университета Аризоны разработала уникальную методику изучения процессов древней эволюции

Бактерии E.coil под микроскопом
0

Команда ученых из Университета Аризоны разработала уникальную методику изучения процессов древней эволюции. Эта технология, известная как «воскрешение гена предков», позволяет вставлять гены первобытных микроорганизмов в геном бактерии E.coli. Это дает исследователям возможность наблюдать, как эволюция происходит снова и снова, давая им знания о том, как именно жизнь развивалась на ранней Земле, а так же о том, как она может выглядеть на других планетах.

«Организмы могут нормально функционировать даже тогда, когда они создаются с помощью гена, которому более 700 миллионов лет», — говорит ведущий автор исследования Бетюль Качар, астробиолог из Университета Аризоны. «Эта работа является очень важной для понимания следующих вопросов: какими путями может идти эволюционный процесс? Можем ли мы ожидать, что последовательность событий всегда будет одинакова?».

Качар и ее коллеги опубликовали свою работу в журнале «Молекулярная эволюция».

В 1989 году известный эволюционный биолог Стивен Дж. Гулд предложил мысленный эксперимент: если бы ученые могли перемотать время и позволить эволюции происходить снова и снова, будет ли конечный результат всегда представлять собой ту же жизнь, которая нам известна? На протяжении десятилетий идея «воспроизведения ленты жизни» оставалась чисто теоретическим вопросом и пищей для бесконечных дебатов среди ученых. В основе дискуссии лежит неопределенность между случайностью в эволюционных процессах и причинно — следственных связях этих процессов. Ученые пока не могут понять, как прошлое организма формировало его будущее.

Разработка технологии рекомбинантной ДНК — взятие гена из одного организма и вставка его в геном другого, дает возможность исследователям ответить на вопрос Гулда экспериментально. Качар выполняла работу со своим соавтором Эриком Гошером в рамках проекта, финансируемого НАСА, для повторного воспроизведения эволюции снова и снова с помощью используемой для эксперимента бактерии E. coli. Качар «перематывала» эволюцию конкретного ключевого белка E. coli, изменение которого позволяло бы бактерии выжить.

Древний инструмент для создания белков

В 2008 году Качар восстановила 500-миллионную последовательность важного бактериального гена под названием Elongation Factor-Tu (EF-Tu), который помогает объединить блок аминокислот в полностью сформированные белки. Эта версия EF-Tu появилась сразу после «кембрийского взрыва», когда жизнь стала принимать все более сложные формы. Являясь рибосомным белком, он находился в центре клетки, и от функционирования этого белка зависело его собственное выживание.

Древний ген EF-Tu отличался от своего современного аналога в E. coli в 28 позициях. Поскольку эти бактерии не могут выжить без EF-Tu, первоочередной задачей Качар было выяснить, может ли архаический ген функционировать в современной E. coli. Она заменила в бактерии двумя EF-Tu одной древней версией и стала наблюдать.

«Гену пришлось учиться настраиваться на новые условия, когда все вокруг него изменилось», — говорит Качар.

Гибридная бактерия оказалась способна расти, но ее «путешествие во времени» привело к снижению эволюционной пригодности, измеряемой темпом роста бактерий. Качар создала шесть различных популяций таких гибридных бактерий, а затем позволила им расти в лаборатории на протяжении 2000 поколений.  И каждая из этих групп дала одинаковый финал эволюции.

Во всех колониях, кроме одной, E. coli эволюционировала идентичным образом. Вместо того, чтобы изменять сам ген EF-Tu, клетки увеличивали количество белка EF-Tu, которое они продуцировали, чтобы компенсировать его урезанные функции. Из всех миллионов возможных решений, которые могли применить бактерии, они в основном, казалось, выбирали одно и тоже. Качар называет это увеличение производства белков «системой аварийного реагирования» организма. Несмотря на свою простоту, она сработала.

Но это не означает, что это единственные возможные решения проблемы. Качар проводила эксперименты только с шестью различными популяциями E. coli. В природе естественный отбор мог бы дать появиться потомкам миллионов организмов. Кроме того, 2000 поколений — это эволюционное мгновение. Качар считает, что поскольку все шесть колоний бактерий пришли к одному и тому же решению, увеличение количества белка может быть временной мерой, пока не появится лучшая мутация.

Расширение исследований

Качар продолжает развивать свои идеи, чтобы понять, что можно изучить в будущих работах. Также она начала проводить аналогичные эксперименты с цианобактериями и белками, важнейшими в процессах фотосинтеза, включая Rubisco, которая превращает атмосферный углекислый газ в глюкозу.

Важность этой работы, говорит Качар, имеет отношение не только к изучению эволюции жизни на этой планете. Знание того, по каким законам развивалась жизнь на Земле может рассказать ученым многое о том, как выглядит жизнь на других планетах.  Технология рекомбинации ДНК может помочь ученым понять, как жизнь сможет адаптироваться в будущем к изменению климата и другим антропогенным изменениям.

«Эта работа поможет нам понять пределы жизни, объединив синтетическую и эволюционную биологию», — говорит она. «В будущем, используя ее, мы можем подойти к более широким проблемам астробиологии в отношении распространения жизни».

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Этот сайт использует куки. Вы можете отказаться, если хотите Принять Прочитать больше

Живой космос cможет принять любую посещаемость благодаря кешированию WP Super Cache

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: