По про­ше­ст­вии 31 000 по­ко­ле­ний в од­ной из 12 по­пу­ля­ций (ее ус­лов­ное обоз­на­че­ние – Ara-3) про­и­зош­ло неч­то стран­ное. Ее чис­лен­ность те­перь про­дол­жа­ла рас­ти и пос­ле то­го, как вся глю­ко­за в кол­бе бы­ла съ­е­де­на. К кон­цу су­точ­но­го цик­ла чис­лен­ность по­пу­ля­ции Ara-3 ока­зы­ва­лась нам­но­го вы­ше, чем у ос­таль­ных по­пу­ля­ций. Оче­вид­но, мик­ро­бы на­у­чи­лись ис­поль­зо­вать в пи­щу ка­кое-то ве­ще­ст­во, вхо­дя­щее в сос­тав сре­ды, но несъ­е­доб­ное для обыч­ных ки­шеч­ных па­ло­чек.

Вско­ре Ленс­ки и его кол­ле­ги вы­яс­ни­ли, что бак­те­рии из по­пу­ля­ции Ara-3 при­об­ре­ли спо­соб­ность пи­тать­ся цит­ра­том (ли­мон­ной кис­ло­той). Цит­рат до­бав­ля­ет­ся в сре­ду в ка­че­ст­ве вспо­мо­га­тель­но­го ве­ще­ст­ва (хе­ла­ти­ру­ю­ще­го аген­та). Нор­маль­ные бак­те­рии E. coli спо­соб­ны ус­ва­и­вать цит­рат толь­ко в ана­э­роб­ных ус­ло­ви­ях. Нес­по­соб­ность пи­тать­ся цит­ра­том в при­су­т­ствии кис­ло­ро­да – один из оп­ре­де­ли­тель­ных приз­на­ков дан­но­го ви­да бак­те­рий. Та­ким об­ра­зом, в по­пу­ля­ции Ara-3 по­я­ви­лось нас­то­я­щее «эво­лю­ци­он­ное нов­ше­ст­во» – но­вый по­лез­ный приз­нак (ав­то­ры обоз­на­чи­ли его Cit⁺), из­ме­нив­ший вза­и­мо­от­но­ше­ния ор­га­низ­ма со сре­дой и поз­во­лив­ший бак­те­ри­ям-му­тан­там уве­ли­чить свою чис­лен­ность и стать до­ми­ни­ру­ю­щи­ми в по­пу­ля­ции. Лю­бо­пыт­но, что бак­те­рии Cit⁺ так и не вы­тес­ни­ли до кон­ца бак­те­рий Cit^–, ко­то­рые пи­та­ют­ся толь­ко глю­ко­зой. Воз­мож­но, их дли­тель­ное мир­ное со­су­ще­ст­во­ва­ние объ­яс­ня­ет­ся раз­де­ле­ни­ем ниш, но это по­ка лишь ги­по­те­за.

Ди­зайн дол­гос­роч­но­го экс­пе­ри­мен­та поз­во­ля­ет прос­ле­дить фор­ми­ро­ва­ние эво­лю­ци­он­но­го нов­ше­ст­ва во всех ге­не­ти­чес­ких под­роб­нос­тях. Имен­но для ре­ше­ния по­доб­ных за­дач экс­пе­ри­мент и был пос­тав­лен. Часть предс­та­ви­те­лей каж­дой по­пу­ля­ции пе­ри­о­ди­чес­ки за­мо­ра­жи­ва­ют. Это нис­коль­ко не вре­дит здо­ровью мик­ро­бов. В лю­бой мо­мент мож­но их от­та­ять и ис­поль­зо­вать для пов­тор­ных опы­тов. Это, в част­нос­ти, поз­во­ля­ет оце­нить ве­ро­ят­ность то­го или ино­го эво­лю­ци­он­но­го со­бы­тия: нас­коль­ко оно бы­ло слу­чай­ным или за­ко­но­мер­ным.

Ав­то­ры от­сек­ве­ни­ро­ва­ли ге­но­мы 29 бак­те­рий из по­пу­ля­ции Ara-3, за­мо­ро­жен­ных в раз­ное вре­мя. Это поз­во­ли­ло пост­ро­ить эво­лю­ци­он­ное де­ре­во, по­ка­зан­ное на рис. 1. Ока­за­лось, что по­пу­ля­ция ос­та­ва­лась ге­не­ти­чес­ки раз­но­об­раз­ной на про­тя­же­нии поч­ти всей сво­ей ис­то­рии. В ре­зуль­та­те му­та­ций и от­бо­ра из од­но­го пред­ко­во­го кло­на по­лу­чи­лось нес­коль­ко ге­не­ти­чес­ки раз­ли­ча­ю­щих­ся ли­ний (клад), но они не спе­ши­ли вы­тес­нять друг дру­га. Ско­рее все­го, это зна­чит, что боль­ши­н­ство ге­не­ти­чес­ких раз­ли­чий меж­ду кла­да­ми бы­ли нейт­раль­ны­ми, то есть не вли­я­ли на прис­по­соб­лен­ность (а в не­ко­то­рых слу­ча­ях, как уже го­во­ри­лось, мог­ло ид­ти вза­им­ное прис­по­соб­ле­ние и раз­дел ниш).

Ис­сле­до­ва­те­ли вы­я­ви­ли конк­рет­ное ге­не­ти­чес­кое из­ме­не­ние, ко­то­рое да­ло бак­те­ри­ям воз­мож­ность пи­тать­ся цит­ра­том. Мик­ро­бы Cit^– прев­ра­ти­лись в Cit⁺ бла­го­да­ря дуп­ли­ка­ции (уд­во­е­нию) фраг­мен­та хро­мо­со­мы, со­дер­жа­ще­го ген citT (рис. 2). Этот ген ко­ди­ру­ет бе­лок, транс­пор­ти­ру­ю­щий цит­рат из внеш­ней сре­ды в ци­топ­лаз­му бак­те­ри­аль­ной клет­ки. В нор­ме у E. coli ген citT ак­ти­вен толь­ко в ана­э­роб­ных ус­ло­ви­ях. Од­на­ко в ре­зуль­та­те дуп­ли­ка­ции од­на из двух ко­пий citT по­па­ла под уп­рав­ле­ние про­мо­то­ра дру­го­го, со­сед­не­го ге­на (rnk). При по­мо­щи ген­но-ин­же­нер­ных экс­пе­ри­мен­тов ав­то­ры по­ка­за­ли, что про­мо­тор ге­на rnk обес­пе­чи­ва­ет ра­бо­ту конт­ро­ли­ру­е­мо­го им ге­на в аэ­роб­ных ус­ло­ви­ях.

Рис. 2. Тандемная дупликация, которая привела к появлению способности питаться цитратом у бактерий из популяции Ara-3. а — участок хромосомы предкового штамма, b — тот же участок после дупликации. Стрелками и петельками обозначены промоторы генов rna и rnk, обеспечивающие работу этих генов в аэробных условиях. В результате дупликации ген citT, кодирующий транспортер цитрата, оказался под управлением промотора гена rnk и стал экспрессироваться в присутствии кислорода. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Ра­зоб­рав­шись с при­ро­дой клю­че­вой му­та­ции, ав­то­ры за­да­лись сле­ду­ю­щим воп­ро­сом: бы­ло ли по­яв­ле­ние фе­но­ти­па Cit⁺ в кла­де 3 по­пу­ля­ции Ara-3 пол­ностью слу­чай­ным? Мог­ло ли это со­бы­тие с тем же ус­пе­хом про­и­зой­ти в дру­гой кла­де или в дру­гой по­пу­ля­ции, или оно бы­ло под­го­тов­ле­но пред­ше­ст­ву­ю­щей эво­лю­ци­ей имен­но этой кла­ды? В по­ис­ках от­ве­та ав­то­ры про­ве­ли пов­тор­ные эво­лю­ци­он­ные экс­пе­ри­мен­ты с раз­мо­ро­жен­ны­ми предс­та­ви­те­ля­ми клад 1, 2 и 3, а так­же с ис­ход­ным (пред­ко­вым) штам­мом.

Вы­яс­ни­лось, что у пред­ко­во­го штам­ма ве­ро­ят­ность по­яв­ле­ния фе­но­ти­па Cit⁺ пре­неб­ре­жи­мо ма­ла. Предс­та­ви­те­ли кла­ды 1 вы­ра­бо­та­ли этот фе­но­тип в двух пов­тор­ных экс­пе­ри­мен­тах из 55. Мик­ро­бы из кла­ды 2 на­у­чи­лись пи­тать­ся цит­ра­том в двух слу­ча­ях из 97. На­ко­нец, бак­те­рии из кла­ды 3 при­об­ре­ли эту спо­соб­ность в вось­ми слу­ча­ях из 37 пов­тор­ных опы­тов.

При­об­ре­те­ние фе­но­ти­па Cit⁺ во всех слу­ча­ях бы­ло свя­за­но с тем, что ген citT на­чи­нал экспрес­си­ро­вать­ся в аэ­роб­ных ус­ло­ви­ях. Но дос­ти­гал­ся этот ре­зуль­тат раз­ны­ми пу­тя­ми. В час­ти пов­тор­ных опы­тов, как и в ос­нов­ном дол­гос­роч­ном экс­пе­ри­мен­те, про­и­зош­ли тан­дем­ные дуп­ли­ка­ции, бла­го­да­ря ко­то­рым citT ока­зал­ся под уп­рав­ле­ни­ем аэ­роб­но­го про­мо­то­ра. Но гра­ни­цы дуп­ли­ци­ро­ван­ных участ­ков в раз­ных слу­ча­ях бы­ли раз­ны­ми, а про­мо­тор, взяв­ший на се­бя уп­рав­ле­ние ге­ном citT, не всег­да был про­мо­то­ром ге­на rnk: в од­ном слу­чае это был про­мо­тор ге­на rna. В нес­коль­ких пов­тор­ных опы­тах тот же эф­фект был дос­тиг­нут без дуп­ли­ка­ции – бла­го­да­ря встра­и­ва­нию мо­биль­но­го ге­не­ти­чес­ко­го эле­мен­та IS3 в ко­ди­ру­ю­щую часть ге­на citG, рас­по­ло­жен­но­го по со­се­д­ству с citT (на ри­сун­ке сле­ва). В этом мо­биль­ном эле­мен­те как раз име­ет­ся под­хо­дя­щий про­мо­тор.

Пов­тор­ные экс­пе­ри­мен­ты по­ка­за­ли, что ве­ро­ят­ность при­об­ре­те­ния по­лез­но­го приз­на­ка Cit⁺ пос­те­пен­но рос­ла в ря­ду «пред­ко­вый штамм – кла­ды 1 и 2 – кла­да 3». Ста­ло быть, по­яв­ле­ние дан­но­го приз­на­ка имен­но в кла­де 3 не бы­ло прос­той слу­чай­ностью. Мик­ро­бы бы­ли за­ра­нее под­го­тов­ле­ны к это­му – «по­тен­ци­ро­ва­ны». Ины­ми сло­ва­ми, у них в хо­де пред­ше­ст­ву­ю­щей эво­лю­ции за­фик­си­ро­ва­лись ка­кие-то му­та­ции, ко­то­рые са­ми по се­бе не да­ва­ли воз­мож­нос­ти пи­тать­ся цит­ра­том, но по­вы­си­ли ве­ро­ят­ность раз­ви­тия этой спо­соб­нос­ти в бу­ду­щем. Ра­зу­ме­ет­ся, «по­тен­ци­ру­ю­щие» му­та­ции за­фик­си­ро­ва­лись не по­то­му, что мик­ро­бы пла­ни­ру­ют свою эво­лю­цию на­пе­ред. Эти му­та­ции ли­бо бы­ли нейт­раль­ны­ми и за­фик­си­ро­ва­лись слу­чай­но, ли­бо бы­ли по­лез­ны для че­го-то дру­го­го. Под­го­тов­ка к при­об­ре­те­нию спо­соб­нос­ти пи­тать­ся цит­ра­том бы­ла по­боч­ным эф­фек­том, ко­то­ро­го ес­те­ст­вен­ный от­бор не мог пре­дус­мот­реть.