Zmiana naszego rozumienia natury: naukowcy odkryli, że ewolucja nie jest tak chaotyczna, jak się wydawało
Losowa natura mutacji genetycznych oznacza, że ewolucja jest w dużej mierze nieprzewidywalna. Najnowsze badania pokazują jednak, że nie jest to do końca prawdą. Jeśli to prawda, będziemy musieli zmienić nasze rozumienie natury.
Zostało to zgłoszone przez PNAS.
Szczegóły otwarcia
Nowe badanie sugeruje, że interakcje między genami odgrywają większą rolę niż oczekiwano w określaniu zmian w genomie. Wiadomo, że niektóre części genomu są bardziej podatne na mutacje niż inne, ale historia ewolucyjna gatunku może również odgrywać rolę w zwiększaniu przewidywalności mutacji.
“Implikacje tych badań są rewolucyjne. Wykazując, że ewolucja nie jest tak przypadkowa, jak wcześniej sądziliśmy, otworzyliśmy drzwi do wielu możliwości w biologii syntetycznej, medycynie i nauce o środowisku” – mówi James McInerney, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu w Nottingham.
Alan Beavan, biolog z Uniwersytetu w Nottingham, i jego koledzy wykorzystali sztuczną inteligencję do zbadania ponad 2000 kompletnych genomów bakterii Escherichia coli, która żyje w jelitach organizmów stałocieplnych.
Bakterie są szczególnie sprytne, jeśli chodzi o modyfikowanie swojego DNA, są dość biegłe w kradzieży genów ze środowiska i włączaniu ich do swojego genomu. Proces ten, znany jako horyzontalny transfer genów, daje bakteriom swobodny dostęp do nowych cech, takich jak odporność na antybiotyki – nie trzeba czekać, aż selekcja zadziała po kilku pokoleniach.
Co ciekawe, horyzontalnie przenoszone geny należące do tej samej grupy zasad mogą kończyć w różnych miejscach w genomie bakterii. Badając geny horyzontalne w różnych lokalizacjach, naukowcy byli w stanie zobaczyć, jak wpływa na nie bezpośrednie otoczenie genów. Byli w stanie przetestować eksperyment myślowy słynnego biologa ewolucyjnego Stephena Goulda: odtwarzanie taśmy z historią ewolucji za każdym razem prowadziłoby do innego, nieprzewidywalnego wyniku, ponieważ ścieżki ewolucji zależą od nieprzewidywalnych zdarzeń.
Gdyby tak było, genom bakterii nadal ewoluowałby chaotycznie po nabyciu nowego genu horyzontalnego. Ale sztuczna inteligencja zidentyfikowała wzorce przewidywalności w tych tysiącach “powtórzeń taśmy” po tych wydarzeniach związanych z nabyciem genów.
“Odkryliśmy, że niektóre rodziny genów nigdy nie pojawiały się w genomie, gdy pewna inna rodzina genów już tam była, a w innych przypadkach niektóre geny były bardzo zależne od obecności innej rodziny genów” – wyjaśnia badaczka Maria Rosa Domingo-Sananes z University of Nottingham.
Tak więc historia genomu, tj. liczba genów, które posiada w danym momencie, może określać, które geny będą lub nie będą miały w przyszłości. Naukowcy już wcześniej widzieli tego oznaki, gdy geny, które są blisko fizycznie zlokalizowane na cząsteczkach genetycznych, zostały utracone lub uzyskane razem – powiązane geny. Ale stało się tak również w przypadku genów, które nie miały bliskiego fizycznego połączenia w genomach bakterii.
Niektóre aspekty ewolucji są deterministyczne, co oznacza, że mogą wystąpić za każdym razem, gdy odtwarzamy taśmę. Obecność lub brak genu można przewidzieć jedynie na podstawie innych genów w genomie. Na przykład, hipotetyczny gen A może przewidywać obecność genu B tylko w przypadku braku genu C,
– Bevan i zespół potwierdzają w swoim artykule.
Nie narusza to zasady losowych mutacji, ale raczej oznacza, że siły doboru naturalnego działają również na poziomie molekularnym, a do niedawna nie mieliśmy mocy obliczeniowej, aby to w pełni zobaczyć. W rzeczywistości same genomy są mikroskopijnymi ekosystemami, w których geny mogą sobie wzajemnie pomagać lub przeszkadzać.
W oparciu o tę pracę możemy zacząć badać, w jaki sposób geny utrzymują, na przykład, odporność na antybiotyki, a w przyszłości tworzyć leki na choroby, które są obecnie nieuleczalne.
