Випадковий характер генетичних мутацій означає, що еволюція значною мірою непередбачувана. Але нещодавні дослідження показують, що це не зовсім так. Якщо це правда, нам доведеться змінити своє уявлення про природу.
Про це повідомляє PNAS.
Деталі відкриття
У новому дослідженні йдеться про те, що 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 еволюційна історія виду також може відігравати певну роль у підвищенні передбачуваності мутацій.
“Наслідки цього дослідження є революційними. Продемонструвавши, що еволюція не така вже й випадкова, як ми вважали раніше, ми відкрили двері до безлічі можливостей у синтетичній біології, медицині та науці про навколишнє середовище”, – каже біолог-еволюціоніст з Ноттінгемського університету Джеймс Макінерні.
Біолог з Ноттінгемського університету Алан Біван і його колеги використали обчислювальні можливості штучного інтелекту, щоб дослідити понад 2000 повних геномів бактерій Escherichia coli, яка живе у кишківнику теплокровних організмів.
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: повторне відтворення стрічки еволюційної історії щоразу призводило б до іншого, непередбачуваного результату, оскільки еволюційні шляхи залежать від непередбачуваних подій.
Якби це було так, геном бактерії продовжував би еволюціонувати хаотично після набуття нового горизонтального гена. Але штучний інтелект 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 дослідниця Марія Роза Домінго-Сананес з Ноттінгемського університету.
Отже, історія геному, тобто кількість генів, які він має на цю мить, може визначити, які гени він матиме або не матиме в майбутньому. Вчені 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. 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,
– підтверджують Біван та команда у своїй статті.
Це не порушує правило випадкових мутацій, а радше означає, що сили природного відбору працюють і на молекулярному рівні, і донедавна ми не мали обчислювальних потужностей, щоб повністю це побачити. По суті, самі геноми є власними мікроскопічними екосистемами, в яких гени можуть допомагати або заважати одне одному.
На основі цієї роботи можна почати досліджувати, як гени підтримують, наприклад, стійкість до антибіотиків, і в перспективі створити ліки проти хвороб, які сьогодні не піддаються лікуванню.
