Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов - Джонатан Б. Лосос

Более вероятной альтернативой было то, что понадобилось несколько генетических изменений, случившихся одно за другим, чтобы в итоге появилась Cit+. Различия между двумя этим популяциями – одна или несколько мутаций, ответственных за эволюцию Cit+ – очевидны, по крайней мере в теории.

Блаунт вернулся к замороженным окаменелостям Авалона, на этот раз чтобы посмотреть, можно ли получить Cit+, чтобы она повторно эволюционировала из предковой популяции Ага-3, которая потеряла способность переваривать цитрат (Cit-).

Если включение определенных первичных мутаций было необходимо для эволюции цитрата, тогда лишь в относительно недавних популяциях могла развиться Cit+, потому что только эти популяции, а не более ранние, обладали предрасполагающими мутациями. И наоборот, если понадобилась только одна мутация, тогда способность становиться Cit+ должна быть одинаково возможна применительно к любой из предковых популяций, возрожденных на любом этапе эксперимента.

Однако понять что-то вовсе не означает быстро решить проблему. Блаунт извлек образцы Ага-3, заархивированные по отдельности двенадцать раз в разное время в течение эксперимента, от начального предка в 1988 году до недавно замороженных популяций. Из каждого отдельного образца он извлек клетки и использовал их, чтобы создать шесть реплицированных популяций – всего получилось семьдесят две, – и позволил им эволюционировать в течение двух с половиной лет. У четырех из семидесяти двух популяций эволюционировала способность переваривать цитрат, все четыре были порождены относительно недавними предками. Данные результаты подтвердили, что только недавние популяции Ага-3 смогли выработать способность к перевариванию цитрата.

Блаунту уже наскучило ждать результатов данного эксперимента, а потому параллельно он опробовал еще один метод, более чувствительный к малейшим проявлениям эволюционной способности Cit+. Данный метод заключался в том, чтобы взять клетки из образцов популяции, которые были заморожены в разное время, и вырастить их для производства множества популяций, состоящих из более чем десяти миллиардов клеток каждая. Затем эти популяции помещали в чашки Петри, где в качестве пищи присутствовал исключительно цитрат, которого хватало на период до трех недель. В этих условиях лишь редкий мутант Cit+ мог вырасти до размеров колонии. Из трех тысяч двухсот популяций, которые изучал Блаунт, лишь тринадцать – примерно треть процента – эволюционировали, став Cit+. И опять же, большинство популяций были относительно недавними, самая ранняя – из предковой популяции, замороженной на отметке в двадцать тысяч генераций.

В ходе этих «прокручиваний пленки» стали очевидными два факта[91]. Во-первых, эволюция Cit+ случается лишь изредка даже среди популяций, выдерживаемых в идентичных условиях. Во-вторых, способность переваривать цитрат обеспечивает не одна-единственная мутация, а несколько. Причем все они, по-видимому, случаются довольно редко. Вероятней всего, незадолго до наступления отметки в двадцать тысяч генераций у популяции развилось некое свойство, которое подготовило почву для последующей эволюции способности Cit+. Эта заданная комбинация очень редких событий объясняет, почему потребовалось появление свыше тридцати тысяч генераций, чтобы у одной популяции возникла подобная способность, и почему она больше не появлялась снова ни у одной из оставшихся одиннадцати.

Описание проекта Зака Блаунта не передаст всего того объема работы, который потребовался, чтобы получить эти результаты. Блаунт стал известен в кругах эволюционных биологов благодаря снимкам, где он сидит в позе лотоса – ноги скрещены, глаза закрыты, указательный и большой палцы образуют круг, одну из мудр в медитации, – в своей яркой робе перед гигантской башней из сложенных в стопку тринадцати тысяч чашек Петри, которые использовались в ходе только одного из этих экспериментов.

ПЯТЬ ЛЕТ И СОРОК ТРИЛЛИОНОВ КЛЕТОК E.COLI понадобилось за то время, что минуло с момента начала работы Блаунта над проектом и до момента выхода первой его научной публикации с результатами исследования. К тому времени, когда она появилась летом 2008 года, он был уже готов приступить к следующей стадии проекта, цель которого – выявить, какие именно мутации произошли.

Одно из преимуществ долгосрочного эксперимента в том, что появляются новые технологические возможности. Это позволяет осуществить на более поздних стадиях то, о чем лишь мечталось в самом начале. В данном случае речь идет о возможности легко и дешево секвенировать геном целых организмов. Когда секвенирование генома впервые стало возможным в последние годы XX века, получение всей последовательности оснований ДНК одного организма могло стоить миллионы долларов и занять долгие годы.

Но к 2008 году цена составляла уже семь тысяч долларов, а ожидание длилось всего месяц[52]. Вооружившись этими возможностями, Блаунт и его коллеги приступили к секвенированию Cit+ и Cit- клеток E.coli с целью установить генетические изменения, ответственные за эволюцию способности переваривать цитрат.

Я не стану здесь вдаваться в биотехнологические детали того, как это все происходило. Но потребовалось еще четыре года, и за это время Блаунт получил докторскую степень и работал в лаборатории Ленски уже в качестве постдока. Применив свою молекулярную магию[92], он смог разобраться в том, что произошло.

Для этого Блаунт секвенировал геномы двадцати девяти клеток E.coli изо всех популяций, существовавших на протяжении всей истории эксперимента. У всех популяций Cit+ была мутация, которая не встречалась среди популяций Cit-. Как вы помните, E.coli естественным образом способна поглощать цитрат в отсутствие кислорода, включая ген citT, который заставляет клетку вырабатывать белок-переносчик, высовывающийся из стенки клетки и цепляющий ближайшие к нему молекулы цитрата. Дело в том, что в клетках E.coli Cit+ появлялся второй экземпляр этого гена. Так происходит всегда у большинства организмов: когда производятся новые клетки, то ДНК копирует сама себя, и иногда ошибка в копировании приводит к созданию двух копий гена, когда один ген прикрепляется к концу второго.

В норме ген citT, который производит цепляющий цитрат белок-переносчик, активируется, когда уровень кислорода снижается. И наоборот, ген rnk, который появляется в хромосоме рядом с citT, включается, если уровень кислорода высокий. И когда случайно создалась вторая копия гена citT, он произвольным образом оказался в итоге рядом с активатором гена rnk. Это перенастроило копию citT, которая включилась вместе с rnk, когда еще был в наличии кислород. В результате подобного случайного ошибочного молекулярного копирования E.coli Cit+ получила способность поглощать цитрат даже при наличии кислорода.

Благодаря работе Блаунта теперь мы имеем хорошее представление о том, почему Cit+, несмотря на всю ее полезность, так редко развивалась в экспериментальных популяциях ДЭЭ. Должно было произойти несколько маловероятных событий. Ключевым генетическим изменением, сделавшим возможным использование цитрата, стало копирование, при котором часть целого гена была еще раз скопирована в геном. Более того, должно было произойти не только копирование citT, но еще эта копия должна была оказаться в нужном месте, чтобы активироваться в аэробной среде. Эксперименты Блаунта показывают, что в правильном генетическом окружении подобные мутации возможны, но случаются крайне редко.