Один из ключевых вопросов эволюционной биологии — как возникают и развиваются новые гены. Шведские исследователи из Университета Уппсала выяснили, как новые гены и функции, полезные для бактерий, могут быть выбраны из случайных последовательностей ДНК. Результаты представлены в научном журнале mBio.
Как возникают и развиваются новые гены и функциональные белки? Это один из самых фундаментальных вопросов эволюционной биологии. Были предложены два различных типа механизма: (1) новые гены с новыми функциями возникают из существующих генов, и (2) новые гены и белки развиваются из случайных последовательностей ДНК, не похожих на существующие гены и белки. В настоящем исследовании ученые изучали последний тип механизма: эволюцию новых генов и белков из рандомизированных последовательностей ДНК — de novo evolution, как это называется. Довольно легко понять, что когда ген уже существует, он может быть модифицирован и получит новую функцию. Но как «ничто» превращается в функцию, дающую небольшое преимущество, которое благоприятствует естественному отбору?
Сырьем для эксперимента послужила большая библиотека из 500 миллионов рандомизированных последовательностей генов, из которых были идентифицированы пептидные последовательности с биологической функцией. В ходе эксперимента, случайные генные последовательности были размещены на плазмиды и сверхэкспрессированы. Затем ученые исследовали, могут ли они дать бактериям конкретное, определенное свойство. Могли ли они, например, дать бактериям устойчивость к антибиотикам? Они определили несколько коротких пептидов (длиной 22-25 аминокислот), которые могут дать бактериям высокую степень устойчивости к аминогликозидам, важному классу антибиотиков, используемых для тяжелых инфекций.
«Когда проект начинался, у нас были низкие ожидания. Мы были поражены, когда обнаружили пептиды, способные обеспечить уровень сопротивления в 48 раз выше», — говорит д-р Майкл Кнопп, ведущий автор исследования.
Благодаря сочетанию генетических и функциональных экспериментов ученые смогли продемонстрировать, что пептиды вызывают резистентность, прикрепляясь к мембранам бактериальных клеток и влияя на протонный потенциал через мембрану. Нарушение протонного потенциала вызывает снижение поглощения антибиотиков, что делает бактерии устойчивыми.
«Это исследование важно, потому что оно показывает, что совершенно случайные последовательности аминокислот могут дать начало новым, выгодным функциям, и что этот процесс эволюции de novo может быть изучен экспериментально в лаборатории», — говорит Дэн И. Андерссон, профессор Медицинской бактериологии, который несет главную ответственность за исследование.
Источник: Uppsala University