Революція в науці: вчені кажуть, що еволюція не настільки випадкова, як ми думали

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.

Дивіться також Тварини продовжать страждати заради науки: план поступового припинення тестувань скасували

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.

Отже, хоча перемотування стрічки еволюції бактерії 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 можна почати досліджувати, як гени підтримують, наприклад, стійкість до антибіотиків, і в перспективі створити ліки проти хвороб, які сьогодні не піддаються лікуванню.