Спирт виявився здатний прискорювати еволюцію бактерій

Бельгійські мікробіологи з'ясували, що швидкість придбання мутацій, яка раніше вважалася більш-менш постійною, насправді може досить швидко змінюватися в часі в умовах сильного стресу. Кишкові палички, яких вирощували у високих концентраціях спирту, виживали за наявності в популяції певних алелей генів, що дозволяють їм мутувати з високою швидкістю, причому спочатку швидкість придбання мутацій значно зростала, а після виникнення адаптації падала до вихідних значень. Контроль цього зниження відбувається за рахунок механізмів клітинної смерті. Дослідження опубліковано в.

Геноми всіх організмів постійно змінюються. У процесі реплікації ДНК, наприклад, послідовність її не завжди повторюється з максимальною точністю. Відповідні зміни називаються мутаціями. Мутації необхідні для еволюції організмів - тобто для їх пристосування до навколишнього середовища і до її мінливих умов. Однак придбання мутацій відбувається, як правило, з дуже невеликою швидкістю, тому що лише мала частина мутацій виявляється корисною, а решта або ні на що не впливають, або порушують роботу відповідних генів - і ризикувати тут небезпечно. У клітці існують механізми, що контролюють швидкість мутаційного процесу, які відстежують його хід і з певною ефективністю чинять «неправильні» місця. Дозволити геному мутувати дуже швидко не можна - при дуже великій кількості змін клітина, з великою ймовірністю, загине. Однак повністю заблокувати цей процес теж неможливо - по-перше, це запобігатиме всім можливостям адаптації організму до умов середовища, а значить, і всю еволюцію в цілому, а по-друге, буде пов'язано з дуже великими енергетичними витратами.

Швидкість появи мутацій у бактерій зазвичай низька - вона становить близько 0,001 мутації на геном у кожному поколінні. Як правило, цей показник є більш-менш постійним. Показано, однак, що в стресових умовах він може змінюватися. Періодично деякі бактерії в популяції проходять через фазу гіпермутації, коли швидкість появи мутацій у них підвищується в десять - десять тисяч разів. Варіанти (алелі) генів, що сприяють появі клітин-гіпермутаторів, як правило, не закріплюються в популяції самі по собі. Вони, як кажуть вчені, «їдуть на попутках», де попуткою служать кілька інших мутацій, які дійсно є корисними для конкретної клітини. Таким чином, спочатку поява алелей-гіпермутаторів в популяції швидше випадкова, їм просто «пощастило» опинитися поруч з іншими мутаціями, зате потім вони можуть дати популяції можливість вижити в стресових умовах. Відомо, що серед патогенних бактерій, що живуть в лабораторних умовах, клітини-гіпермутатори з'являються набагато частіше; такі спостереження були зроблені і для деяких еукаріотичних клітин, зокрема, для малярійних плазмодіїв і паразитичних грибів, а також для ракових клітин, які за допомогою гіпермутацій набувають, в тому числі, свою особливу стійкість до імунної системи і лікарських засобів.

Гіпермутації відбуваються, як правило, в умовах небезпеки для популяції - коли клітини піддаються дуже сильному стресу і намагаються розробити спосіб виживання. Особливості динаміки цього процесу, однак, досі залишалися не цілком зрозумілі. У даному експерименті вчені працювали з різними лабораторними штаммами кишкової палички, що володіють різною швидкістю появи мутацій. Їх піддавали стресу, близькому до летального, поміщаючи у високу концентрацію етилового спирту, і оцінювали після цього зміни в швидкості їх мутаційного процесу та їх адаптаційні можливості.

Штами дикого типу в таких умовах практично ніколи не виживали. Найкращим чином адаптація пройшла біля популяцій, які збільшували швидкість появи мутацій в 2-70 разів. Спочатку клітини майже не росли, а лише накопичували мутації, а потім популяція починала збільшуватися. Швидке накопичення мутацій, деякі з яких виявлялися корисними, допомагало клітинам придбати властивості, що дозволяють їм успішно виживати в середовищі з п'ятивідсотковим вмістом спирту, і після цього вони могли жити і розмножуватися в звичному темпі.

У наступному етапі експерименту вчені працювали з кількома сотнями поколінь кишкової палички, які два роки вирощували в умовах зростаючої концентрації спирту. З двадцяти різних штамів до концентрації понад сім відсотків дожили тільки вісім, і всі вони мали високу швидкість появи мутацій. Після проведення секвенування з'ясувалося, що всі вісім штамів містили мутації в системі реплікації і репарації ДНК (MMR), що, мабуть, і забезпечувало високу мінливість їхніх геномів. Це було підтверджено шляхом окремого порівняння швидкостей мутаційного процесу у бактерій, що несуть такі мутації, і бактерій дикого типу.

Підрахунок кількості мутацій в різний час у різних штамів дозволив дослідити динаміку мутаційного процесу і показав, що вона досить гнучка. Після придбання адаптації до певного рівня етанолу швидкість появи мутацій знижується до вихідних показників, а при підвищенні його концентрації - знову зростає. З'ясувалося, що гіпермутантні алелі в клітинах при цьому нікуди не зникають, тож, мабуть, зниження швидкості появи мутацій пов'язане з роботою інших супресорних механізмів.

Подальші експерименти показали, що цим механізмом є, мабуть, клітинна смерть. Після того, як адаптація до нових умов завершилася, клітини-гіпермутанти швидко вмирають, в результаті чого в популяції залишаються, в основному, клітини з нормальною швидкістю появи мутацій. Такий контроль популяції за рахунок клітинної смерті, можна сказати, зумовлений, оскільки досягається, головним чином, саме за рахунок швидкого накопичення у гіпермутантів мутацій, більшість з яких виявляються летальними.

Про дослідження пристосування бактерій до різних стресових умов, у тому числі про двофазну адаптацію до антибіотиків, ми вже розповідали, в тому числі писали і про важливість швидкості придбання мутацій. Вчені вважають, що дослідження механізмів, пов'язаних з гіпермутаторами, допоможе, зокрема, в розробці ліків, пов'язаних з виникненням стійкості бактерій до антибіотиків і ракових клітин до імунної відповіді і до хіміотерапевтичних засобів.