Naukowcy zmusili mikroby do ewolucji. Nie takiego rezultatu się spodziewali

Naukowcy w swoich badaniach laboratoryjnych przeprowadzili szereg analiz, w których bakterie Escherichia coli musiały radzić sobie w skrajnych warunkach środowiskowych. Escherichia coli, czyli pałeczka okrężnicy występuje w mikrobiomie jelita grubego człowieka i zwierząt. Jest bakterią symbiotyczną, która uczestniczy w rozkładzie pokarmu i przyczynia się do produkcji witamin z grupy B i K.

Jednakże w poszczególnych przypadkach może być dla człowieka chorobotwórcza. Wówczas może wywoływać m.in. schorzenia układu pokarmowego i moczowego.

Badacze zauważyli, że wystawiając bakterie na skrajnie niekorzystne warunki środowiskowe, niektóre populacje Escherichia coli były w stanie szybko wyewoluować mutacje genetyczne, które pomogły im się rozwijać.

Jak piszą specjaliści: "Nasze wyniki sugerują, że [te mutacje] mogą służyć do szybkiej koordynacji złożonych reakcji fizjologicznych poprzez wykrywanie pH. Rzuca to nowe światło na to, w jaki sposób populacje komórkowe wykorzystują sygnały środowiskowe do koordynowania szybkich reakcji na złożone, zmienne środowiska".

W trakcie eksperymentów naukowcy analizowali 16 populacji Escherichia coli, wystawiając je na długotrwały głód. W tym czasie w populacjach gromadziły się odpady metaboliczne, co powodowało drastyczne zmiany pH środowiska. Następnie bakterie otrzymywały składniki odżywcze starczające im na 100 dni. Dalej cały cykl powtarzano kilkukrotnie.

Co ciekawe w siedmiu populacjach pojawiła się zmiana w segmencie budulcowym białka. Powstała ona w ciągu zaledwie 300 pierwszych dni eksperymentu. Jak wskazują naukowcy, doszło wówczas do zmiany aminokwasu z argininy na histydynę, która nastąpiła w białku Rho. Cząsteczka ta jest swoistym molekularnym przełącznikiem regulującym wiele procesów komórkowych.

- Ta mutacja w genie rho wielokrotnie pojawiała się w naszych laboratoryjnych kulturach ewolucyjnych. Wróciliśmy do naszych danych genomicznych i zauważyliśmy, że każda mutacja w genie rho współwystępowała z mutacją w genie o nazwie "ydcI". Niewiele wiadomo o tym genie, ale niedawne badania sugerują, że może on odgrywać rolę w homeostazie pH — wyjaśnia Megan Behringer z Uniwersytetu Vanderbilt.

Białko Rho pomaga komórkom bakteryjnym lepiej funkcjonować w warunkach obfitości pokarmu, jednakże "przeszkadza" w warunkach głodu. Zmutowany gen "ydcI" pozwala komórkom lepiej tolerować zmiany zachodzące w białku Rho. Jednocześnie zauważono, że mutacja "ydcI" reaguje na zmiany poziomu pH. Dlatego też może działać jako przełącznik podczas zmian środowiskowych, by lepiej dostosować funkcjonowanie komórek do danych warunków.

Badacze zauważają, że podobny mechanizm funkcjonuje również w nowotworach. W ten sposób zmuszają swoje geny do większej ekspresji, co z kolei skutkuje przekształcaniem otaczającego je środowiska komórkowego.

Jak dodają naukowcy: "Wyniki te ilustrują moc ewolucji eksperymentalnej w identyfikowaniu funkcjonalnie ważnych mutacji istotnych dla naturalnego środowiska".

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym PNAS.

***

Bądź na bieżąco i zostań jednym z 90 tys. obserwujących nasz fanpage - polub Geekweek na Facebooku i komentuj tam nasze artykuły!