Какие именно мутации, характерные для клады 3, сыграли роль «потенцирующих», установить пока не удалось. Хорошим кандидатом является мутация в гене arcB, потому что повреждение этого гена активирует цикл трикарбоновых кислот – биохимический путь, позволяющий клетке эффективно утилизировать цитрат (если клетка вдруг сумеет его где-то раздобыть в больших количествах). Может быть, повреждение гена arcB превратило мутации, активирующие транспорт цитрата в клетку, из нейтральных или вредных в полезные? Предположение выглядит правдоподобным, но авторы пока не сумели подтвердить его экспериментально.
Однако им удалось подтвердить, что какие-то генетические особенности клады 3 действительно делают умение поглощать цитрат из внешней среды более полезным. Чтобы убедиться в этом, они вставляли в представителей предкового штамма и клад 1–3 по несколько копий гена citT под управлением аэробного промотора. Иными словами, они придавали микробам способность поглощать цитрат из внешней среды – и смотрели, пойдет ли эта способность им на пользу.
Представители всех генно-модифицированных штаммов приобрели способность подкармливаться цитратом, но в очень разной степени. Микробы из клады 3 делали это лучше всех: они быстро переключались с глюкозы на цитрат и хорошо росли на чистом цитрате. Микробы из клад 2 и 1 справлялись гораздо хуже: им требовалось больше времени на переключение, и росли на цитрате они медленнее. Предковый штамм использовал цитрат еще менее эффективно. Для того, чтобы после исчерпания запасов глюкозы переключиться на питание цитратом, ему требовалось около двух суток. Между прочим, это означает, что в условиях долгосрочного эксперимента он не получил бы никакого преимущества от мутации, которая создала фенотип Cit+ в кладе 3: никто не дал бы ему двух суток на раздумья, ведь бактерий пересаживали в новую среду с глюкозой каждые сутки.
Эти результаты, как и статистика повторных эволюционных экспериментов, показывают, что «потенцирование» проходило как минимум в два этапа. Вероятность формирования фенотипа Cit+ выросла при переходе от предкового штамма к кладам 1 и 2 и снова увеличилась при формировании клады 3.
Интересно, что первые представители популяции Ara-3, у которых после поколения №31 000 был зарегистрирован фенотип Cit+, использовали цитрат еще очень неэффективно, хотя у них уже были и «потенцирующие» мутации, и тандемная дупликация, показанная на рис. 2b. Новая функция поначалу была крайне несовершенна и давала лишь едва заметное преимущество. В ходе дальнейшей эволюции эффективность использования цитрата микробами Cit+ быстро росла. Авторам удалось расшифровать один из механизмов усовершенствования: фрагмент ДНК с активированным геном citT просто-напросто подвергся еще нескольким дупликациям. Это, по-видимому, ускорило поглощение цитрата из внешней среды.
Таким образом, формирование эволюционного новшества происходило в три этапа. На первом этапе (потенцирование, potentiation) закрепились мутации, повысившие вероятность появления признака в будущем. На втором этапе (актуализация, actualization) появилась и была поддержана отбором ключевая мутация, превратившая микробов Cit– в Cit+. Правда, поначалу новый признак был слабо выражен и почти не приносил пользы. На заключительном, третьем этапе (усовершенствование, refinement) признак постепенно оптимизировался. В результате его полезность многократно выросла.
Усовершенствование – процесс, который может продолжаться долго. Однако события, происходившие в популяции Ara-3 после поколения №35 000, трудно анализировать. В это время среди микробов Cit+ распространилась мутация, повышающая скорость мутагенеза примерно в 20 раз (фенотип mutator). Такие «мутаторы» появились не только в Ara-3, но и в нескольких других популяциях. Найти среди сотен новых мутаций те, что связаны с усовершенствованием цитратного питания, – задача пока слишком трудная. Впрочем, замороженные бактерии никуда не спешат и будут спокойно дожидаться появления новых исследовательских методик и приборов.
Источник: