Гены предков. Технология рекомбинации ДНК.

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

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 хотитеПринятьПрочитать больше

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: