Сили, які визначають еволюцію, можуть бути не такими випадковими, як ми думали
Випадковий характер генетичних мутацій означає, що еволюція значною мірою непередбачувана. Але нещодавні дослідження показують, що це не зовсім так, оскільки взаємодія між генами відіграє більшу роль, ніж очікувалося, у визначенні того, як змінюється геном.
Відомо, що деякі ділянки геному більш схильні до мутацій, ніж інші, але нове дослідження припускає, що еволюційна історія виду також може відігравати певну роль у підвищенні передбачуваності мутацій.
“Наслідки цього дослідження є нічим іншим, як революційними”, – каже біолог-еволюціоніст з Ноттінгемського університету Джеймс Макінерні (James McInerney).
“Продемонструвавши, що еволюція не така вже й випадкова, як ми колись думали, ми відкрили двері до безлічі можливостей у синтетичній біології, медицині та науці про навколишнє середовище”.
Біолог Ноттінгемського університету Алан Біван та його колеги використали обчислювальну потужність ШІ для дослідження понад 2 000 повних геномів бактерій Escherichia coli.
Бактерії особливо хитрі, коли справа доходить до зміни їхньої ДНК, вони досить вправно крадуть гени з навколишнього середовища і вбудовують їх у свій геном. Цей процес, відомий як горизонтальне перенесення генів, дає бактеріям вільний доступ до нових ознак, таких як стійкість до антибіотиків – не потрібно довго чекати, поки селекція спрацює через кілька поколінь.
Цікаво, що горизонтально перенесені гени, які належать до однієї базової групи, можуть опинитися в різних місцях геному бактерій. Вивчаючи горизонтальні гени в різних місцях, дослідники змогли побачити, як на них впливає безпосереднє оточення генів.
Вони змогли перевірити уявний експеримент відомого еволюційного біолога Стівена Гоулда: відтворення стрічки історії еволюції щоразу призводить до іншого, непередбачуваного результату, оскільки шляхи еволюції залежать від непередбачуваних подій.
Якби це було так, геном бактерії продовжував би еволюціонувати хаотично після набуття нового горизонтального гена. Але ШІ виявив закономірності передбачуваності в цих тисячах “повторів стрічки” після цих подій набуття генів.
“Ми виявили, що деякі сімейства генів ніколи не з’являлися в геномі, коли певне інше сімейство генів вже було там, а в інших випадках деякі гени дуже сильно залежали від присутності іншого сімейства генів”, – пояснює мікробіолог Ноттінгемського університету Марія Роза Домінго-Сананес (Maria Rosa Domingo-Sananes).
Отже, історія геному, тобто кількість генів, які він має на даний момент, може визначити, які гени він матиме або не матиме в майбутньому. Ми вже бачили натяки на це раніше, коли гени, які тісно фізично розташовані на генетичних молекулах, втрачалися або набувалися разом – зчеплені гени – але це також відбувалося і з генами, які не мали тісного фізичного зв’язку в геномах бактерій.
“Деякі аспекти еволюції є детермінованими – тобто вони, ймовірно, відбуватимуться кожного разу, коли ми відтворюватимемо касету”, – підтверджують Бівен та його команда у своїй статті. “Присутність або відсутність гена можна передбачити лише на основі інших генів у геномі. Наприклад, гіпотетичний ген А може передбачити наявність гена В лише за відсутності гена С”.
Це не порушує правило випадкових мутацій; це радше означає, що сили природного відбору працюють і на молекулярному рівні, що донедавна ми не мали обчислювальних потужностей, щоб повністю побачити. По суті, самі геноми є власними мікроскопічними екосистемами, в яких гени можуть допомагати або заважати один одному.
Отже, хоча перемотування стрічки еволюції кишкової палички все одно показуватиме щоразу іншу еволюційну траєкторію, тут також будуть сотні й тисячі передбачуваних подій, з чіткими закономірностями, що з’являться при повторному перегляді.
“На основі цієї роботи ми можемо почати досліджувати, які гени “підтримують”, наприклад, ген стійкості до антибіотиків”, – пояснює Бівен.
“Тому, якщо ми намагаємося усунути стійкість до антибіотиків, ми можемо впливати не лише на основний ген, але й на гени, що його підтримують”.
