Детали открытия

В новом исследовании говорится, что взаимодействие между генами играет большую роль, чем ожидалось, в определении того, как меняется геном. Известно, что некоторые участки генома более подвержены мутациям, чем другие, но эволюционная история вида также может играть определенную роль в повышении предсказуемости мутаций.

Смотрите также Животные продолжат страдать ради науки: план постепенного прекращения тестирований отменили

Последствия этого исследования революционны. Продемонстрировав, что эволюция не так уж случайна, как мы считали ранее, мы открыли дверь ко множеству возможностей в синтетической биологии, медицине и науке об окружающей среде,
– говорит биолог-эволюционист из Ноттингемского университета Джеймс Макинерни.

Биолог из Ноттингемского университета Алан Биван и его коллеги использовали вычислительные возможности искусственного интеллекта, чтобы исследовать более 2000 полных геномов бактерий Escherichia coli, которая живет в кишечнике теплокровных организмов.

Бактерии особенно хитры, когда дело доходит до изменения их ДНК, они довольно ловко крадут гены из окружающей среды и встраивают их в свой геном. Этот процесс, известный как горизонтальный перенос генов, дает бактериям свободный доступ к новым признакам, таким как устойчивость к антибиотикам — не нужно долго ждать, пока селекция сработает через несколько поколений.

Интересно, что горизонтально перенесенные гены, которые принадлежат к одной базовой группе, могут оказаться в разных местах генома бактерий. Изучая горизонтальные гены в разных местах, исследователи смогли увидеть, как на них влияет непосредственное окружение генов. Они смогли проверить воображаемый эксперимент известного эволюционного биолога Стивена Гоулда: повторное воспроизведение ленты эволюционной истории каждый раз приводило бы к другому, непредсказуемому результату, поскольку эволюционные пути зависят от непредсказуемых событий.

Если бы это было так, геном бактерии продолжал бы эволюционировать хаотично после приобретения нового горизонтального гена. Но искусственный интеллект обнаружил закономерности предсказуемости в этих тысячах "повторов ленты" после этих событий приобретения генов. "Мы обнаружили, что некоторые семейства генов никогда не появлялись в геноме, когда определенное другое семейство генов уже было там, а в других случаях некоторые гены очень сильно зависели от присутствия другого семейства генов", – объясняет исследовательница Мария Роза Доминго-Сананес из Ноттингемского университета.

Итак, история генома, то есть количество генов, которые он имеет на данный момент, может определить, какие гены он будет иметь или не будет иметь в будущем. Ученые уже видели намеки на это раньше, когда гены, которые тесно физически расположены на генетических молекулах, терялись или приобретались вместе — сцепленные гены. Но это также происходило и с генами, которые не имели тесной физической связи в геномах бактерий.

Некоторые аспекты эволюции детерминированы — то есть они, вероятно, будут происходить каждый раз, когда мы будем воспроизводить кассету. Присутствие или отсутствие гена можно предположить только на основе других генов в геноме. Например, гипотетический ген А может предсказать наличие гена В только при отсутствии гена С,
– подтверждают Биван и команда в своей статье.

Это не нарушает правило случайных мутаций, а скорее означает, что силы естественного отбора работают и на молекулярном уровне, и до недавнего времени мы не имели вычислительных мощностей, чтобы полностью это увидеть. По сути, сами геномы являются собственными микроскопическими экосистемами, в которых гены могут помогать или мешать друг другу.

На основе этой работы можно начать исследовать, как гены поддерживают, например, устойчивость к антибиотикам, и в перспективе создать лекарства против болезней, которые сегодня не поддаются лечению.