Dalam eksperimen jangka panjang, pembentukan berperingkat inovasi evolusi direkodkan • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Evolusi, Mikrobiologi, Genetik

Dalam eksperimen jangka panjang, pembentukan berperingkat inovasi evolusi direkodkan.

Rajah. 1. Sejarah evolusi penduduk Ara-3, di mana bakteria telah belajar untuk makan sitrat. Nombor di sebelah kiri – generasi. Kalangan 29 klon ditunjukkan pada pokok yang gengennya telah dijujukan. Kawasan berbilang warna Terdapat lima khazanah utama (garis evolusi): UC ("kerang tidak berjaya", garis awal yang cepat pupus), Clade 1, Clade 2, Clade 3 ("Potentiated" klades dengan peningkatan kemungkinan penampilan Cit fenotip+, iaitu keupayaan untuk makan sitrat), Cit baru+ clade – harta yang mampu makan pada sitrat, berasal dari klade 3 selepas 31,000 generasi (Cit+ berkembang). Selepas 33,000 generasi bakteria, Cit+ terdapat mutasi yang secara dramatik meningkatkan kadar mutagenesis (Mutator berkembang). Di bahagian atas gambar menunjukkan hasil eksperimen evolusi yang berulang (semula) dengan wakil-wakil beku khazanah 1, 2 dan 3. Wakil-wakil klade 1 mengembangkan fenotip Cit+ dalam dua kes daripada 55 percubaan, clade 2 – dalam dua kes daripada 97, clade 3 – dalam lapan kes daripada 37. Wakil-wakil keturunan nenek moyang asal mempunyai kebarangkalian diabaikan penampilan cenotip Cit+. Carta di bahagian bawah kanan menunjukkan kadar pengumpulan mutasi, meningkat secara mendadak dalam bakteria Cit+ (bulatan merahselepas munculnya fenotip mutator. Gambar dari artikel dibincangkan di Alam

Semasa eksperimen evolusi jangka panjang mengenai bakteria E. coli dalam salah satu daripada 12 populasi eksperimen selepas 31,000 generasi, ciri berguna yang baru muncul – keupayaan untuk makan sitrat di bawah keadaan aerobik. Sebagaimana ternyata, pembentukan inovasi evolusi berlaku dalam tiga peringkat. Pada peringkat pertama ("potentiation"), mutasi telah ditetapkan yang membantu untuk menggunakan sitrat jika ia berada di dalam sel. Eksperimen berulang dengan wakil generasi keturunan yang dicaci menunjukkan bahawa terdapat sekurang-kurangnya dua mutasi berpotensi: satu muncul selepas 15,000 generasi, yang lain selepas 20.000. Pada peringkat kedua ("aktualisasi"), peraturan gen berubah citTbertanggungjawab untuk penyerapan citrate dari persekitaran luaran. Akibatnya, gen mula bekerja dengan kehadiran oksigen, walaupun biasanya E. coli Ia hanya berfungsi di bawah keadaan anaerobik. Ini membawa kepada kemunculan keupayaan ringan, "asas" untuk menggunakan sitrat dalam makanan. Akhirnya, pada peringkat "penanaman", fungsi baru ini berulang kali dipertingkatkan disebabkan beberapa duplikasi (rangkap) dari serpihan kromosom yang membawa gen diaktifkan. citT. Hanya selepas ini, jumlah bakteria mutan meningkat dan mereka menjadimenguasai penduduknya. Mungkin, perkembangan berperingkat seperti itu juga menjadi ciri inovasi evolusi yang lain.

"Elemen" telah membincangkan percubaan evolusi jangka panjang yang dimulakan pada tahun 1988 oleh kumpulan penyelidik antarabangsa yang diketuai oleh Richard Lenski (lihat Richard E. Lenski) – lihat: Hasil eksperimen evolusi 40,000 generasi panjang disimpulkan, Elemen, 02.11.2009; Dalam eksperimen evolusi jangka panjang, pemilihan untuk "perspektif evolusi" dan "Elemen" diturunkan, 03/25/2011.

12 populasi eksperimen E. coli (E. coli) hidup di bawah keadaan aerobik dalam medium cecair telus, di mana glukosa adalah satu-satunya makanan. Dengan selang sehari, satu bahagian kecil diambil dari setiap populasi dan dipindahkan ke dalam kuar baru dengan medium nutrien. Di sana, bakteria membiak dengan cepat, sehingga rizab glukosa habis. Oleh itu, semasa setiap kitaran harian, tempoh permulaan yang berlimpah, apabila saiz populasi berkembang dengan pesat (bilangannya dianggarkan oleh kekeruhan alam sekitar), digantikan oleh tempoh kelaparan, apabila bakteria terhenti melipatgandakan dan bilangannya stabil.

Selepas 31,000 generasi di salah satu daripada 12 populasi (simbolnya ialah Ara-3), sesuatu yang pelik berlaku. Nombor beliau sekarang terus berkembang selepas semua glukosa di dalam kuah itu dimakan.Pada akhir kitaran harian, saiz penduduk Ara-3 jauh lebih tinggi daripada populasi lain. Jelasnya, mikrob telah belajar untuk menggunakan makanan beberapa bahan yang merupakan sebahagian daripada alam sekitar, tetapi tidak dapat dimakan oleh batang usus biasa.

Tidak lama kemudian Lenski dan rakan-rakannya mengetahui bahawa bakteria dari penduduk Ara-3 memperoleh keupayaan untuk makan sitrat (asid sitrik). Citrate ditambah kepada media sebagai agen excipient (chelating agent). Bakteria biasa E. coli mampu menyerap sitrat hanya di bawah keadaan anaerob. Ketidakstabilan makan sitrat dengan kehadiran oksigen adalah salah satu daripada ciri-ciri definitif bakteria jenis ini. Oleh itu, "inovasi evolusi" sekarang muncul dalam populasi Ara-3 – satu sifat yang berguna baru (penulis mengenal pasti sebagai Cit+), mengubah hubungan organisma dengan alam sekitar dan membenarkan bakteria mutan meningkatkan bilangan mereka dan menjadi dominan dalam populasi. Ingin tahu bahawa bakteria cit+ tidak menolak sehingga akhir bakteria Cityang hanya makan glukosa. Mungkin kewujudan koeksistensi damai jangka panjang diterangkan dengan pemisahan niche, tetapi ini masih merupakan hipotesis.

Reka bentuk percubaan jangka panjang membolehkan kita mengesan pembentukan inovasi evolusi dalam semua butiran genetik. Ia adalah untuk menyelesaikan masalah-masalah yang dilakukan oleh eksperimen tersebut. Sesetengah ahli setiap penduduk secara berkala beku. Ia tidak membahayakan kesihatan mikrob. Pada bila-bila masa mereka boleh dicairkan dan digunakan untuk eksperimen berulang. Ini, khususnya, memungkinkan untuk menganggarkan kebarangkalian peristiwa evolusi: bagaimana rawak atau biasa itu.

Penulis menyusun genom 29 bakteria dari populasi Ara-3, beku pada waktu yang berlainan. Ini membolehkan kita membina pokok evolusi, ditunjukkan dalam Rajah. 1. Ternyata penduduknya tetap beragam secara genetik sepanjang hampir seluruh sejarahnya. Akibat mutasi dan pemilihan dari satu klon nenek moyang, beberapa garisan genetik yang berbeza (harta) diperolehi, tetapi mereka tidak terburu-buru untuk bersuara antara satu sama lain. Kemungkinan besar, ini bermakna bahawa kebanyakan perbezaan genetik antara klad adalah neutral, iaitu, mereka tidak mempengaruhi kecergasan (dan dalam beberapa kes, seperti yang telah disebutkan, penyesuaian bersama dan pembahagian kerisian boleh berlaku).

Penyelidik telah mengenal pasti perubahan genetik tertentu yang membolehkan bakteria makan sitrat. Mikrob Cit berubah menjadi cit+ kerana duplikasi (dua kali ganda) fragmen kromosom yang mengandungi gen citT (Rajah 2). Gen ini mengkodekan protein yang mengangkut sitrat dari persekitaran luar ke dalam sitoplasma sel bakteria. Biasanya E. coli gen citT aktif hanya dalam keadaan anaerobik. Walau bagaimanapun, hasil daripada pertindihan, satu daripada dua salinan citT telah dikawal oleh penganjur yang lain, jiran tetangga (rnk). Menggunakan eksperimen kejuruteraan genetik, penulis menunjukkan bahawa promoter gen tersebut rnk memastikan kerja gen dikawal dalam keadaan aerobik.

Rajah. 2 Tandem duplikasi, yang menyebabkan keupayaan untuk memberi makan kepada sitrat dalam bakteria dari populasi Ara-3. a – plot kromosom ketegangan nenek moyang, b – kawasan yang sama selepas pertindihan. Anak panah dan gelung Promoter gen ditunjukkan rna dan rnk, memastikan kerja-kerja gen ini dalam keadaan aerobik. Akibat duplikasi gen citTpengekodan pengangkut sitrat, berada di bawah kendali penganjur gen rnk dan mula dinyatakan dalam kehadiran oksigen.Gambar dari artikel dibincangkan di Alam

Setelah ditangani dengan sifat mutasi utama, penulis bertanya soalan berikut: adalah kemunculan phenotype Cit?+ dalam clap 3, adakah penduduk Ara-3 sepenuhnya rawak? Bolehkah peristiwa ini berlaku dengan kejayaan yang sama di klad lain atau dalam populasi lain, atau siapakah dengan evolusi terdahulu klade ini? Untuk mencari jawapan, penulis melakukan eksperimen evolusi yang berulang dengan perwakilan klasifikasi 1, 2 dan 3, serta ketegangan asli (nenek moyang).

Ternyata ketegangan leluhur kebarangkalian penampilan Cit fenotip+ boleh diabaikan. Wakil-wakil clade 1 mengembangkan fenotip ini dalam dua eksperimen berulang dari 55. Mikroba dari klade 2 belajar untuk makan sitrat dalam dua kes daripada 97. Akhirnya, bakteria dari clade 3 memperoleh keupayaan ini dalam lapan kes daripada 37 percubaan berulang.

Pemerolehan Phenotype Cit+ dalam semua kes adalah kerana gen itu citT mula menyatakan dalam keadaan aerobik. Tetapi hasil ini dicapai dengan cara yang berbeza. Dari segi percubaan berulang, serta dalam eksperimen jangka panjang utama, duplikasi tandem telah terjadi, yang mana citT Ia dikawal oleh seorang promoter aerobik.Tetapi batas-batas tapak pendua dalam pelbagai kes berbeza, dan penganjur, yang mengambil alih pengurusan gen citTtidak selalu menjadi penaja gen tersebut rnk: dalam satu kes ia adalah seorang penganjur gen rna. Dalam beberapa eksperimen berulang, kesan yang sama dicapai tanpa pertindihan – terima kasih kepada penggabungan unsur genetik mudah alih IS3 ke dalam bahagian pengekodan gen citGterletak di sebelah citT (di sebelah kiri). Unsur mudah alih ini hanya mempunyai promoter yang sesuai.

Eksperimen berulang telah menunjukkan bahawa kebarangkalian memperoleh sifat yang berguna Cit+ secara beransur-ansur berkembang dalam siri "keturunan leluhur – clades 1 dan 2 – clade 3". Oleh itu, penampilan ciri ini dalam clade 3 bukan kebetulan semata-mata. Mikro disediakan untuk ini terlebih dahulu – "potentiated." Dalam erti kata lain, mereka mempunyai beberapa mutasi yang ditetapkan dalam perjalanan evolusi sebelumnya yang sendiri tidak memberi peluang untuk makan sitrat, tetapi meningkatkan kemungkinan perkembangan keupayaan ini pada masa akan datang. Sudah tentu, mutasi "potentiating" tidak ditetapkan kerana mikrob merancang evolusi mereka terlebih dahulu. Mutasi ini sama ada neutral dan tetap secara kebetulan, atau berguna untuk sesuatu yang lain.Bersedia untuk memperoleh keupayaan untuk makan sitrat adalah kesan sampingan bahawa pemilihan semulajadi tidak dapat diramalkan.

Ciri-ciri mutasi klade 3 yang memainkan peranan "pemencil" belum ditubuhkan. Calon yang baik adalah mutasi dalam gen. arcB, kerana kerosakan gen ini mengaktifkan kitaran asid trikarboksilat – jalur biokimia yang membolehkan sel menggunakan cekap dengan cekap (jika sel tiba-tiba mendapatkannya di dalam kuantiti yang banyak). Mungkin kerosakan gen arcB berubah mutasi yang mengaktifkan pengangkutan sitrat ke dalam sel, dari neutral atau berbahaya untuk berguna? Andaian ini kelihatan munasabah, tetapi penulis masih belum mengesahkannya secara eksperimen.

Walau bagaimanapun, mereka dapat mengesahkannya beberapa Ciri-ciri genetik clade 3 benar-benar membuat keupayaan untuk menyerap sitrat dari persekitaran luaran yang lebih berguna. Untuk mengesahkan ini, mereka memasukkan beberapa salinan gen kepada wakil-wakil keturunan leluhur dan harta 1-3. citT di bawah kawalan penganjur aerobik. Dalam erti kata lain, mereka memberikan mikroba keupayaan untuk menyerap sitrat dari persekitaran luaran – dan mereka melihat untuk melihat apakah keupayaan ini akan memberi manfaat kepada mereka.

Wakil-wakil dari semua strain yang diubah suai secara genetik memperoleh keupayaan untuk memberi makan kepada sitrat, tetapi kepada tahap yang sangat berbeza. Mikrob dari clade 3 melakukan yang terbaik dari semua: mereka dengan cepat beralih dari glukosa ke sitrat dan bertambah baik pada sitrat tulen. Mikrob dari harta 2 dan 1 mengalami lebih teruk: mereka memerlukan lebih banyak masa untuk bertukar, dan mereka tumbuh pada sitrat lebih perlahan. Ketegangan nenek moyang menggunakan sitrat kurang berkesan. Untuk beralih kepada bekalan kuasa dengan sitrat selepas keletihan rizab glukosa, ia mengambil masa kira-kira dua hari. Dengan cara ini, ini bermakna bahawa dalam eksperimen jangka panjang, dia tidak akan mendapat manfaat daripada mutasi yang mencipta fenotip Cit+ dalam klade 3: tiada siapa yang akan memberinya dua hari untuk memikirkannya, kerana bakteria ditransplantasikan ke dalam persekitaran baru dengan glukosa setiap hari.

Keputusan ini, serta statistik eksperimen evolusi yang berulang, menunjukkan bahawa "potentiation" berlangsung sekurang-kurangnya dalam dua tahap. Kebarangkalian pembentukan Cit fenotip+ berkembang dalam peralihan dari keturunan nenek moyang kepada clade 1 dan 2 dan meningkat lagi apabila clade 3 terbentuk.

Menariknya, wakil pertama penduduk Ara-3, di mana, selepas generasi No. 31,000, fenotip Cit telah didaftarkan+, sitrat masih sangat tidak cekap, walaupun mereka sudah mempunyai mutasi "potentiating" dan duplikat tandem yang ditunjukkan di rajah. 2b. Fungsi baru pada mulanya sangat cacat dan memberikan kelebihan yang tidak dapat dilihat. Dalam perjalanan evolusi selanjutnya, kecekapan penggunaan sitrat cit+ berkembang pesat. Pengarang berjaya menguraikan salah satu mekanisme peningkatan: fragmen DNA dengan gen diaktifkan citT hanya menjalani beberapa pertindihan. Ini, nampaknya telah mempercepat penyerapan citrate dari persekitaran luaran.

Oleh itu, pembentukan inovasi evolusi berlaku dalam tiga peringkat. Pada peringkat pertama (potentiation, potentiation) mutasi telah ditetapkan, yang meningkatkan kemungkinan tanda pada masa depan. Pada peringkat kedua (kemas kini, aktualisasi) muncul dan disokong oleh pemilihan mutasi utama yang menjadikan mikroba Cit dalam cit+. Benar, pada permulaannya, tanda baru itu kurang jelas dan hampir tidak membawa sebarang manfaat. Pada peringkat akhir, peringkat ketiga (penambahbaikan, penghalusan) menandatangani secara beransur-ansur. Akibatnya, kegunaannya telah berkembang banyak kali.

Penambahbaikan adalah satu proses yang boleh berlangsung lama. Walau bagaimanapun, peristiwa yang berlaku dalam populasi Ara-3 selepas generasi No. 35,000 sukar untuk di analisis.Pada masa ini di kalangan mikrob Cit+ mutasi telah merebak yang meningkatkan kadar mutagenesis sekitar 20 kali (fenotip mutator). "Mutators" sedemikian muncul bukan sahaja di Ara-3, tetapi juga di beberapa populasi lain. Untuk mencari antara ratusan mutasi baru yang berkaitan dengan peningkatan nutrisi sitrat masih menjadi tugas yang sukar. Walau bagaimanapun, bakteria beku tidak tergesa-gesa dan diam-diam menunggu kemunculan teknik dan peranti penyelidikan baru.

Sumber: Zachary D. Blount, Jeffrey E. Barrick, Carla J. Davidson, Richard E. Lenski. Analisis inovasi utama dalam populasi Escherichia coli // eksperimen // Alam. Diterbitkan dalam talian 19 September 2012.

Lihat juga:
1) Hasil eksperimen evolusi dengan panjang 40.000 generasi, "Unsur", 02.11.2009.
2) Dalam eksperimen evolusi jangka panjang, pemilihan untuk "perspektif evolusi", "Unsur-unsur", 25.03.2011 diturunkan.
3) Gen pelbagai fungsi – asas untuk inovasi evolusi, "Unsur", 06/30/2008.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: