Lähes sata vuotta sitten evoluutioteoreetikko Sewall Wright kuvitteli vuorten ja laaksojen maiseman. Huiput edustivat korkean evoluutiokuntoisuuden tiloja organismeille, kun taas niiden väliset kourut edustivat heikon kuntotason tiloja. Organismit saattoivat liikkua maiseman läpi mutaatioprosessin kautta ja kiivetä huipuille, koska niiden muuttuvat geenit auttoivat heitä saavuttamaan paremman kuntonsa.

Nykyaikaisen populaatiogenetiikan perustaja Wright kiinnosti ilmeisestä paradoksista: Jos organismipopulaatio onnistuisi nousemaan pienen kukkulan huipulle, ne joutuisivat sinne pahempien tilojen ympäröimänä. He eivät voineet saavuttaa korkeampia huippuja, elleivät ensin ylittäisi alla olevia lamakausia, mitä luonnonvalinta ei normaalisti sallisi.

Viimeisen sadan vuoden aikana evoluutiobiologit ovat käyttäneet matemaattisia malleja ja yhä useammin laboratoriokokeita elävillä organismeilla tutkiakseen, kuinka kaikenkokoiset populaatiot voivat liikkua kuntomaisemissa (jota joskus kutsutaan mukautuneiksi maiseiksi). Nyt sisällä juuri julkaistu tutkimus in tiede, tutkijat ovat kehittäneet yli neljännesmiljoonaa versiota yleisestä bakteerista ja piirtäneet kunkin kannan suorituskyvyn luodakseen yhden kaikkien aikojen suurimmista laboratorioissa rakennetuista mukautuvista maisemista. Se antoi heille mahdollisuuden kysyä: Kuinka vaikeaa on päästä tietystä pisteestä huipulle?

Yllättäen karu kuntoilumaisema oli ylitettävissä useimmille bakteereille: Noin kolmella neljäsosalla kannoista oli toteuttamiskelpoinen evoluution reitti antibioottiresistenssiin. Löydökset tukevat aikaisemman teoreettisen työn esittämää ajatusta, että kuntoilun "laaksot" voidaan välttää helpommin kuin luullaan. Ne myös avaavat oven parempaan ymmärrykseen siitä, kuinka todelliset populaatiot - bakteerit mutta myös ehkä muut organismit - voivat muuttua luonnonvalinnan paineen alaisena.

Monien vuosikymmenten ajan kuntomaisemien tutkiminen oli ensisijaisesti simuloitujen organismien parissa työskentelevien teoreetikkojen tai suhteellisen pienessä mittakaavassa työskennelleiden uraauurtavien kokeilijoiden varaa. Mutta helpon ja edullisen geeninmuokkaustekniikan nousun myötä uuden lehden takana oleva tiimi pohti, voisiko he rakentaa erittäin suuren mukautuvan maiseman elävien organismien avulla. Andreas Wagner, Zürichin yliopiston biologian professori ja uuden artikkelin kirjoittaja.

He päättivät piirtää bakteerin yhden geenin kuntovaikutukset Escherichia coli. Dihydrofolaattireduktaasi, tämän geenin koodaama entsyymi, on antibiootin trimetopriimin kohde, ja geenin mutaatiot voivat tehdä bakteerista resistentin lääkkeelle. Wagner ja hänen kollegansa, mukaan lukien pääkirjailija Andrei Papkou, Zürichin yliopiston postdoc, loi yli 260,000 XNUMX geneettisesti erilaista kantaa E. coli, joista jokainen käytti erilaista yhdeksän aminohapon permutaatiota entsyymiversionsa toiminnallisessa ytimessä.

He kasvattivat kantoja trimetopriimin läsnäollessa ja seurasivat, mitkä niistä menestyivät. Heidän tietojensa juoni paljasti maiseman, jossa oli satoja erikorkuisia huippuja, jotka edustavat sitä, kuinka hyvin kukin geneettisistä muunnelmista (genotyypeistä) auttoi bakteereja välttämään lääkkeen.

Sitten tutkijat tarkastelivat, kuinka vaikeaa eri kantojen olisi kehittyä päästäkseen yhteen korkeimmista huipuista. He laskivat kullekin genotyypille, mikä sarja mutaatioita olisi tarpeen, jotta se muuttaisi yhdeksi erittäin vastustuskykyisistä kannat.

Kuten Wright ennusti vuosikymmeniä sitten, jotkin polut päättyivät mataliin huippuihin, jotka eivät jättäneet mahdollisuuksia lisäparannuksiin. Mutta monet polut - reitit, joita pitkin organismit voivat muuttaa genotyyppiään mutaatio kerrallaan - saavuttivat melko korkeita pisteitä.

"Saimme hyvät tilastot siitä, kuinka usein he juuttuvat mataliin huipuihin", Wagner sanoi. "Eikä se ole ollenkaan usein. … XNUMX prosenttia väestöstämme saavuttaa kliinisesti merkityksellisen antibioottiresistenssin.

Se sopii yhteen minkä kanssa Sam Scarpino, biologi ja tautien mallintaja, joka on AI + Life Sciences -osaston johtaja Northeastern Universityssä, sanoi odottavansa. "Heillä on tämä erittäin mukava tulos, jonka olemme ennustaneet", hän sanoi osoittaen tuore teoreettinen artikkeli kuntomaisemien karun ja navigoitavuuden välisen suhteen tutkiminen. Kun kuntomaisemat ovat korkeaulotteisia – kun ne ylittävät useimpien ihmisten mielikuvituksen yksinkertaiset kolme ulottuvuutta esimerkiksi Wagnerin tutkimuksessa käytettyihin yhdeksään ulottuvuuteen – hyvin erilaiset säätelygeenien verkostot, jotka tuottavat samoja fyysisiä piirteitä, ovat todennäköisemmin läheisiä. yhdessä maisemassa tai yhdistettäväksi esteettömällä polulla.

Esimerkiksi Wagner ja Papkou havaitsivat, että heidän kokeellisen maiseman antibioottiresistenssin korkeimmat huiput olivat usein hyvin leveiden rinteiden yhdeksänulotteisen vastineen ympäröimiä; itse asiassa ne oli muotoiltu enemmän Fuji-vuorelle kuin Matterhornille. Tämän seurauksena monet genotyypit alkoivat jostain korkeimpien kuntohuippujen rinteiltä, ​​mikä helpotti näiden kantojen pääsyä huipulle.

Ei ollut itsestään selvää, että korkeimmat huiput vetäisivät suurimman osan genotyypeistä, huomautti James O'Dwyer, teoreettinen ekologi Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignista. Mutta tässä maisemassa niin näyttää olleen.

Tästä syystä kuntomaisemien rakentaminen Wagnerin, Papkoun ja heidän kollegoidensa tavoin – massiivisten, todellisiin organismeihin perustuvien maisemien – on tärkeä askel umpeen sillan sen välillä, mitä saattaisimme olettaa olevan totta, ja sen välillä, mitä luonnossa todella on olemassa, paljon monimutkaisemmissa järjestelmissä. voimme helposti kuvitella, sanoi Ben Kerr, biologian professori Washingtonin yliopistossa. "Kuinka me kartoitamme intuitiomme tilanteisiin, jotka eivät ole osa kokemustamme?" hän sanoi. ”Ihmisen intuitiota on koulutettava uudelleen. Hyvä lähtökohta on tehdä se empiirisellä tiedolla."

Niin valtava kuin Wagnerin uuden paperin kuntomaisema onkin, se näyttää vain sen, mihin bakteerit pystyvät yhdessä tietyssä ympäristössä. Jos tutkijat muuttaisivat jotakin tiedoista - jos he muuttaisivat antibiootin annosta tai nostivat lämpötilaa, sanotaan - he saisivat toisenlaisen maiseman. Joten vaikka havainnot näyttävät viittaavan siihen, että useimmat E. coli kannat voivat kehittää antibioottiresistenssiä, tämä tulos voi olla joko paljon epätodennäköisempi tai paljon todennäköisempi todellisessa maailmassa. Varmalta vaikuttaa vain se, että useimmat lajikkeet eivät todennäköisesti ole peruuttamattomasti sabotoitu niiden omien pienten onnistumisten vuoksi.

Tämän tutkimuksen kiinnostaviin seuraaviin vaiheisiin voisi siksi kuulua sen tutkiminen, voisiko jokin kokeilun maisemaversiossa vallitsevista säännöistä olla laajemmin universaaleja. "Jos ne olisivat, siihen olisi jokin syvällinen syy", O'Dwyer sanoi.

Wagner ja Papkou toivovat tutkivansa muita maiseman versioita tulevassa työssään. Papkou huomauttaa, että yhdenkään geenin jokaista permutaatiota ei ole mahdollista kartoittaa kattavasti – maisema räjähtäisi tähtitieteelliseen kokoon lähes välittömästi. Mutta laboratorioissa rakennetuilla maisemilla ja teoreettisilla malleilla pitäisi vielä tänä päivänäkin olla mahdollista alkaa tutkia, ovatko yleiset periaatteet taustalla, kuinka kehittyvä kokonaisuus voi muuttua vastauksena ympäristöönsä.

"Toiminta on: Darwinilaisen evoluution on melko helppoa alkaa optimaalisesta asennosta ja siirtyä luonnonvalinnan voimalla korkeaan kuntohuippuun", Papkou sanoi. "Se oli aika hämmästyttävää."

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän biologian lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.