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

Такие прогнозы строятся независимо от того, что в действительности эволюционировало. Впоследствии они могут быть перепроверены природой. В отдельных случаях – как в тех двух, что я перечислил, – прогнозы оправданы: естественный отбор, похоже, и вправду поощряет оптимальные решения. В других случаях теория и природа не согласуются друг с другом: либо теория подводит, либо какое-то ограничение не позволяет естественному отбору выработать оптимальное решение. Что это за ограничения – вопрос интересный сам по себе. Возможно, не возникает подходящих мутаций или вмешиваются какие-то негативные побочные факторы (невозможно одновременно оптимизировать все). А может быть, решения просто нет: так, к примеру, ни один организм не использует ядерного деления в качестве источника энергии, а биологические структуры, напоминающие колеса, крайне редки.

Сложнее делать прогнозы на основе первопричины, когда имеешь дело с микробами, потому что биохимическое и молекулярное функционирование этих клеток еще не до конца изучено. И эта трудность лишь усугубляется, когда работаешь на генетическом уровне, как делает сейчас большинство микробиологов, потому что функция большинства генов остается тайной. Если взять все гены, которые были определены при изучении бактерий, вызывающих туберкулез и муковисцидоз, чье функционирование совершенно неизвестно, то в данном случае было бы весьма сложно сделать предварительные прогнозы относительно того, как они могут участвовать в адаптивной эволюции микробных патогенов.

Конечно, существуют исключения. Одним из них является ген, ответственный за устойчивость к антибиотикам у E.coli. Этот ген регулирует синтез ферментов бета-лактамаз, которые со временем, эволюционируя, атакуют такие антибиотики, как пенициллин, ампициллин, цефотаксим и многие другие, делая их неэффективными. Именно поэтому данный ген и вырабатываемый им фермент тщательно изучались, и теперь ученые понимают их гораздо лучше, чем большинство микробных генов и их производные.

Недавно исследовалось многообразие мутаций[121], происходящих в гене. С помощью своих молекулярных приемов ученые заставили клетки E.coli произвести десять тысяч различных мутаций. Они продуманно выбрали из них тысячу и оценили их влияние на устойчивость к антибиотикам, просчитав, какое их количество требуется, чтобы убить клетку. Какие-то мутации никак не влияли, несколько имели катастрофические последствия, а большинство обладали средним негативным воздействием.

Благодаря тому что бета-лактамазы так хорошо изучены, исследователи смогли установить, как каждая мутация влияла на функционирование фермента в плане характера изменения формы молекулы, уровня ее активности и степени стабильности. Затем они смогли сопоставить эти изменения с влиянием на устойчивость к антибиотикам и обнаружили здесь сильную взаимосвязь: более заметные изменения этих свойств совпадали с более существенными изменениями в степени устойчивости к антибиотикам. Другими словами, исследователи смогли начать с мутации, вычислить, как она видоизменяла фермент, а на основе этих изменений точно подсчитать, как это повлияет на устойчивость к антибиотикам.

Именно такой подход позволяет ученым предсказать, как микроб типа E.coli станет эволюционировать, столкнувшись с новыми условиями обитания.

Но примеры подобного рода – чаще всего исключения, чем правило. В большинстве случаев мы не знаем, какие гены ответственны за адаптацию. И даже зная, какие гены задействованы, мы зачастую слабо себе представляем, как они работают, не говоря уже о влиянии конкретных мутаций. Возможно, однажды мы сможем рутинно предсказывать, какие мутации будут эволюционировать адаптивно, но этот день наступит еще не скоро.

Не имея исчерпывающей информации, ученые иногда делают свои прогнозы на основе неполных данных. Например, исследователи из Гарварда отметили, что один штамм E.coli способен выдерживать дозы антибиотика цефотаксима в сто тысяч раз больше, чем требуется, чтобы нейтрализовать нерезистентные штаммы. Генетический анализ показал, что такой высокий уровень резистентности был результатом пяти приобретенных мутаций в гене, вырабатывающем бета-лактамазы.

Ученые сконцентрировали свое внимание на этих пяти мутациях и выяснили, приведет ли неизбежно естественный отбор к появлению пятикратно мутировавшего штамма, если изначально будет нерезистентный штамм с отсутствующими у него мутациями. Но вместо того, чтобы проводить эволюционные эксперименты, они создали штаммы E.coli со всеми возможными комбинациями пяти мутаций. Для каждого штамма они измерили устойчивость к цефотаксиму и задались вопросом: «Существует ли для каждого штамма такая мутация, которая способна усилить резистентность?» Так, к примеру, если взять штамм с двумя мутациями, то усилится ли его резистентность, если добавить еще одну? Для всех штаммов ответ был положительный. Все штаммы с одной мутацией в конечном итоге приобретали вторую, а все штаммы с двумя мутациями – третью и так далее. Вне зависимости от порядка возникновения мутаций неизбежным итогом становился штамм с пятью мутациями. Авторы исследования сделали вывод, что «пленка жизни[122] может быть в значительной степени воспроизводима и даже предсказуема».

Данное исследование – первоклассное и всеобъемлющее – привлекло к себе повышенное внимание как пример эволюционного детерминизма на генетическом уровне. Но была одна проблема: исследование ограничивалось только теми мутациями, которые были обнаружены в ультрарезистентном штамме. А как насчет других мутаций? Могли ли они помешать работе?

Чтобы выяснить это, группа датских ученых провела эволюционный эксперимент, который подразумевал, что сфера мутаций определяется любыми возникшими в ходе эксперимента явлениями, а не ограничивалась пятью центральными мутациями из предыдущего исследования. Если предоставить мутациям полную свободу[123], эволюционирует ли тогда суперштамм? Датская команда осуществила свой эксперимент теперь уже знакомым нам способом, подвергая двенадцать изначально похожих популяций воздействию препарата на протяжении нескольких генераций и высчитывая степень адаптивной эволюции.

Устойчивость к цефотаксиму возрастала по ходу эксперимента, но ее степень варьировалась: семь популяций стали заметно более резистентными, чем другие пять. Ученые секвенировали геномы каждой популяции и обнаружили, что одни и те же три мутации – три из пяти – эволюционировали преимущественно в одинаковом порядке в семи высокорезистентных популяциях[60]. И наоборот, минимум одна из этих трех мутаций не смогла эволюционировать в оставшихся пяти популяциях.

Гарвардское исследование суперштамма продемонстрировало, что одна конкретная мутация – G238S – единственная наиболее действенная в плане передачи резистентности к цефотаксиму. В датском исследовании у всех семи «экстремистов» сразу же возникла G238S, так же как и у трех из отстающих популяций.

Датские исследователи внимательнейшим образом изучили две популяции, у которых не возникло G238S, и определили первые приобретенные ими мутации – R164S в одной из популяций и А237Т в другой[61]. Ни одна из этих мутаций не возникла в остальных десяти популяциях. Более того, так как ни одной из этих мутаций не было среди пяти обнаруженных в суперрезистентном штамме, они не были включены в исследование гарвардской команды.