Парадоксально, но иногда кажется, что естественный отбор мешает организмам развивать полезные адаптации. Но новое исследование «ландшафтов приспособляемости» и антибиотикорезистентности бактерий показывает, что жизнь всё-таки находит выход.
Почти столетие назад эволюционный теоретик Сьюэлл Райт представил себе ландшафт с горами и долинами. Пики представляли собой состояния высокой эволюционной приспособленности организмов, а впадины между ними представляли состояния низкой приспособленности. Организмы могли перемещаться по ландшафту посредством процесса мутации, взбираясь на вершины, поскольку изменяющиеся гены помогали им достигать большей приспособленности.
Райт, основатель современной популяционной генетики, был заинтригован очевидным парадоксом: если бы популяция организмов сумела достичь вершины небольшого холма, она застряла бы там в окружении состояний похуже. Они не могли достичь более высоких вершин, не преодолев сначала затишья внизу, чего естественный отбор обычно не допускает.
В течение последних ста лет биологи-эволюционисты использовали математические модели и всё чаще лабораторные эксперименты с живыми организмами, чтобы изучить, как популяции разных размеров могут перемещаться по ландшафтам приспособляемости (иногда называемым адаптивными ландшафтами). Теперь, в исследовании, только что опубликованном в журнале Science, учёные создали более четверти миллиона версий обычной бактерии и построили график эффективности каждого штамма, чтобы соорудить один из крупнейших когда-либо созданных в лаборатории адаптивных ландшафтов. Это позволило им задаться вопросом: насколько сложно добраться из любой точки до вершины?
Удивительно, но суровый ландшафт приспособляемости оказался проходим для большинства бактерий: около трёх четвертей штаммов обладали действенным эволюционным маршрутом к антибиотикорезистентности. Полученные данные подтверждают идею, высказанную в более ранних теоретических работах, о том, что «долин» в приспособляемости легче избежать, чем можно подумать. Они также открывают дверь к лучшему пониманию того, как реальные популяции бактерий, а также, возможно, и других организмов, могут измениться под давлением естественного отбора.
На протяжении многих десятилетий исследование ландшафтов приспособляемости было в первую очередь прерогативой теоретиков, работающих со смоделированными организмами, или экспериментаторов-новаторов, работавших в относительно небольших масштабах. Но с появлением простой и недорогой технологии редактирования генов команда, работавшая над новой статьёй, задалась вопросом, смогут ли они создать очень большой адаптивный ландшафт, используя живые организмы, говорит Андреас Вагнер, профессор биологии Цюрихского университета и автор этой новой работы.
Они решили отобразить влияние приспособляемости одного гена бактерии Escherichia coli. Дигидрофолатредуктаза, фермент, который кодирует этот ген, является мишенью антибиотика триметоприма, и мутации в этом гене могут сделать бактерию устойчивой к препарату. Вагнер и его коллеги, в том числе ведущий автор Андрей Папкоу, постдок из Цюрихского университета, создали более 260 000 генетически различных штаммов кишечной палочки, каждый из которых использовал различную комбинацию девяти аминокислот в функциональном ядре своей версии фермента.
Они выращивали штаммы в присутствии триметоприма и отслеживали, какие из них процветали. График их данных показал ландшафт с сотнями пиков разной высоты, показывающий, насколько хорошо каждый из генетических вариантов (генотипов) позволяет бактериям уклоняться от препарата.
Затем исследователи посмотрели, насколько сложно будет различным штаммам эволюционировать, чтобы достичь одного из самых высоких пиков. Для каждого генотипа они рассчитали, какая серия мутаций потребуется, чтобы превратить его в один из высокоустойчивых штаммов.
Как и предсказывал Райт десятилетия назад, некоторые пути заканчивались на невысоких вершинах, не оставляющих возможности для дальнейшего улучшения. Но многие из путей — маршрутов, на которых организмы могли менять свои генотипы по одной мутации за раз — достигли довольно высоких точек.
«У нас есть хорошая статистика о том, насколько часто они застревают на низких вершинах», — говорит Вагнер. «И это совсем не часто. … Семьдесят пять процентов наших популяций достигают клинически значимой устойчивости к антибиотикам».
Это соответствует тому, что ожидал Сэм Скарпино, биолог и специалист по моделированию болезней, директор направления AI + Life Sciences в Северо-Восточном университете. «Они получили очень хороший результат, который мы предсказывали», — сказал он, указывая на недавнюю теоретическую работу, исследующую взаимосвязь между прочностью и проходимостью ландшафтов приспособляемости. Когда ландшафты многомерны — когда они выходят за рамки трёх простых измерений воображения большинства людей, до, скажем, девяти измерений, использованных в исследовании Вагнера, — очень разные сети регуляторных генов, которые производят одни и те же физические характеристики, с большей вероятностью будут находиться близко друг к другу на ландшафте или быть соединенными доступной тропой.
Например, Вагнер и Папкоу обнаружили, что самые высокие пики устойчивости к антибиотикам в их экспериментальном ландшафте часто были окружены девятимерным эквивалентом очень широких склонов; по сути, по форме они больше напоминали гору Фудзи, чем Маттерхорн. В результате многие генотипы начинали где-то на склонах самых высоких вершин приспособляемости, что облегчало этим штаммам путь к вершине.
«Не факт, что самые высокие пики проявятся в подавляющем большинстве генотипов, — отметил Джеймс О'Дуайер, эколог-теоретик из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн. — Но в данном случае, похоже, так оно и было».
«Вот почему построение ландшафтов приспособляемости, как это сделали Вагнер, Папкоу и их коллеги — масштабных, основанных на реальных организмах, — является важным шагом в преодолении разрыва между тем, что мы могли бы считать правдой, и тем, что на самом деле существует в природе, в системах, гораздо более сложных, чем те, которые мы с лёгкостью можем себе представить», — говорит Бен Керр, профессор биологии Вашингтонского университета. «Как мы сопоставляем нашу интуицию… с ситуациями, которые не являются частью нашего опыта?» — спрашивает он. «Нужно переучивать свою интуицию. Хорошая отправная точка — сделать это на эмпирических данных».
Каким бы огромным ни был ландшафт фитнеса в новой статье Вагнера, он показывает только то, на что способны бактерии в одной конкретной среде. Если бы исследователи изменили какие-либо детали — если бы они изменили дозу антибиотика или, скажем, повысили температуру — они получили бы другую картину. Таким образом, хотя полученные результаты, похоже, предполагают, что большинство штаммов E. coli могут развивать устойчивость к антибиотикам, в реальном мире этот результат может быть либо гораздо менее, либо гораздо более вероятен. Единственное, что кажется несомненным, так это то, что большинство штаммов, вероятно, не подвергаются необратимому саботажу из-за собственных незначительных успехов.
Таким образом, следующие интригующие шаги в этих исследованиях могут включать изучение того, могут ли какие-либо из правил, которые, по-видимому, преобладали в данной версии эксперимента, быть более универсальными. «Если это так, то для этого должна быть какая-то серьёзная причина», — сказал О'Дуайер.
Вагнер и Папкоу надеются изучить другие версии пейзажа в будущих работах. Папкоу отмечает, что невозможно всесторонне отобразить каждую перестановку даже одного гена — ландшафт почти сразу же взорвался бы до астрономических размеров. Но с помощью лабораторных ландшафтов и теоретических моделей уже сегодня можно начать исследовать, лежат ли универсальные принципы в основе того, как развивающаяся сущность может меняться в ответ на окружающую среду.
«Вывод таков, что дарвиновская эволюция может довольно легко начать с неоптимальной позиции и двигаться благодаря силе естественного отбора к пику высокой приспособляемости», — сказал Папкоу. — Это было весьма удивительно».
Соавтор статьи — Вероника Гринвуд (Veronique Greenwood).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно: