Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ патогенных штаммов – не единственный метод, с помощью которого ученые пытаются понять эволюцию микробов и ее влияние на здоровье человека. Эволюционные эксперименты, столь ценные для улучшения нашего понимания эволюции микробов, также используются для поиска предсказуемых способов, с помощью которых микробы адаптируются к нападению на нас и отражают наши контрмеры.

В большинстве этих исследований эволюция резистентности к антибиотикам изучается на основе общего подхода, впервые предложенного Ленски, Рейни, Травизано и другими учеными: противостоять микробам с помощью различных средств и наблюдать за тем, как они адаптируются. На самом базовом уровне данные исследования ищут повторяемые эволюционные модели. Если у микробов раз за разом будет развиваться схожая резистентность, тогда исследователи смогут сконцентрировать свои усилия на том, чтобы воспрепятствовать этой конкретной эволюционной реакции.

Очень ценным примером подобной работы является эксперимент, осуществленный в лаборатории Кишони в Гарвардской медицинской школе, в том же самом месте, где проводилось исследование Burkholderia dolosa. В этом эксперименте нашего старого знакомого^[117] E.coli поместили в специально сконструированные камеры для выращивания и подвергли воздействию одного из трех антибиотиков – хлорамфеникола, доксициклина и триметоприма, и эволюционная реакция длилась на протяжении двадцати дней (около трехсот пятидесяти генераций E.coli). Каждое воздействие повторялось по пять раз.

Целью исследования было проследить эволюцию резистентности к антибиотикам. Изначально бактерии, которые все получены от одного предка, не были резистентными и очень плохо росли в присутствии антибиотиков. Но очень скоро у них стала развиваться резистентность, и скорость роста увеличилась.

Популяции микробов продемонстрировали очень похожие модели адаптации к препаратам. Пять реплицированных популяций стабильно увеличивали свою резистентность ко всем трем антибиотикам – почти 1600-кратное увеличение роста в популяциях, подвергаемых воздействию хлорамфеникола. В конце эксперимента ученые секвенировали геномы клеток каждой из пятнадцати популяций и сравнили их с геномом предковой популяции.

Как и в случае с большинством предыдущих экспериментальных исследований микробной адаптации, инициированной идентичными штаммами, пять популяций, подвергшихся воздействию триметоприма, эволюционировали очень похоже. Принцип действия триметоприма – в обезвреживании фермента дигидрофолатредуктазы (DHFR) в E.coli. Таким образом, неудивительно, что контрстратегия E.coli заключается в том, чтобы видоизменить DHFR так, чтобы препарату было сложно распознать ген и усилить выработку в нем фермента. Почти все изменения, происходившие в пяти популяциях, наблюдались в DHFR.

Всего в этом гене было обнаружено семь различных мутаций: одна из них происходила во всех пяти популяциях, другая – в четырех, и все, за исключением одной, случились, как минимум, в двух популяциях. Если не считать мутаций в гене DHFR, случились лишь три дополнительные, каждая в разном гене и только в одной популяции.

Учитывая высокий уровень повторяемой эволюции определенных мутаций, исследователи секвенировали образцы DHFR из каждой популяции в каждый день эксперимента и обнаружили устойчивый порядок возникновения мутаций. Причем мутации одинаковые или похожего действия неизбежно предшествовали другим. Иными словами, эволюция резистентности триметоприма в E.coli крайне повторяема. Что касается популяций, подвергнутых воздействию двух других антибиотиков, то здесь результаты были совершенно другими. Даже несмотря на то что степень резистентности, возникшей среди пяти репликатов к каждому препарату, к концу эксперимента была схожей, изучение генетических изменений выявило преимущественно разные мутации, возникшие в каждой популяции.

Почему E.coli эволюционирует повторно похожим образом: реагирует на один препарат, но ведет себя непредсказуемо в отношении двух других, неясно. Тем не менее результаты указывают на то, что разработать общие решения проблемы резистентности к антибиотикам будет легче для триметоприма, чем для двух других препаратов.

РАНЕЕ Я УПОМИНАЛ о том, что некоторым ученым не нравится покидать стерильные стены лаборатории, когда дело касается проведения эксперимента. Полевые исследования – это слишком много шума и неконтролируемых, сбивающих с толку переменчивых факторов. Данная тревога особенно обоснована в отношении конвергентной эволюции: если среды неодинаковы, тогда отсутствие конвергенции может быть просто результатом разного давления отбора. В ходе недавно проведенного исследования на речной колюшке было обнаружено именно это. Поначалу ученые из Техасского университета были озадачены отсутствием конвергенции среди популяций, которые независимо друг от друга колонизировали разные протоки.