Długoterminowy eksperyment ewolucyjny E. coli

12 populacji E. coli LTEE w dniu 25 czerwca 2008 r.

Eksperyment długoterminowej ewolucji E. coli ( LTEE ) to trwające badanie ewolucji eksperymentalnej prowadzone przez Richarda Lenskiego z Michigan State University , a obecnie nadzorowane przez Jeffreya E. Barricka z University of Texas w Austin . Śledzi zmiany genetyczne w 12 początkowo identycznych populacjach bezpłciowych Escherichia coli od 24 lutego 1988 r. Lenski wykonał 10-tysięczny transfer eksperymentu 13 marca 2017 r. Populacje osiągnęły ponad 73 000 pokoleń na początku 2020 r., na krótko przed zamrożeniem z powodu pandemii COVID-19. We wrześniu 2020 r. wznowiono eksperyment LTEE na zamrożonych zapasach.

W trakcie eksperymentu Lenski i jego współpracownicy zgłosili szeroki wachlarz zmian fenotypowych i genotypowych w ewoluujących populacjach. Obejmowały one zmiany, które wystąpiły we wszystkich 12 populacjach i inne, które pojawiły się tylko w jednej lub kilku populacjach. Na przykład we wszystkich 12 populacjach wykazano podobny wzorzec szybkiej poprawy sprawności, która z czasem uległa spowolnieniu, szybsze tempo wzrostu i zwiększenie rozmiaru komórek. Połowa populacji wyewoluowała defekty w naprawie DNA, które spowodowały fenotypy mutatorów charakteryzujące się podwyższonym współczynnikiem mutacji. Najbardziej uderzającą adaptacją opisaną do tej pory jest ewolucja wzrostu tlenowego na cytrynian, co jest niezwykłe w E. coli , w jednej populacji w pewnym momencie między pokoleniami 31 000 a 31 500.

4 maja 2020 r. Lenski ogłosił odnowienie grantu na 5 lat w ramach programu Long-Term Research in Environmental Biology (LTREB) National Science Foundation, który obsługuje LTEE. Zapowiedział też, że dr Jeffrey E. Barrick, profesor nadzwyczajny Biologii Molekularnej na University of Texas w Austin, przejmie nadzór nad eksperymentem w ciągu 5-letniego okresu finansowania. Czas eksperymentu na Michigan State University zakończył się w maju 2022 r., kiedy populacje osiągnęły 75 000 pokoleń, a eksperyment został przeniesiony do laboratorium Barricka. Eksperyment został wznowiony i ponownie uruchomiony w laboratorium Barricka 21 czerwca 2022 r.

Podejście eksperymentalne

Długoterminowy eksperyment ewolucyjny został zaprojektowany jako otwarty sposób empirycznego badania głównych cech ewolucji . Eksperyment rozpoczęto z trzema głównymi celami:

  1. Zbadanie dynamiki ewolucji, w tym tempa zmian ewolucyjnych.
  2. Aby zbadać powtarzalność ewolucji.
  3. Aby lepiej zrozumieć związek między zmianami na poziomie fenotypowym i genotypowym .

W miarę trwania eksperymentu jego zakres rósł wraz z pojawieniem się nowych pytań w biologii ewolucyjnej, które można wykorzystać do rozwiązania, ponieważ ewolucja populacji przedstawiła nowe zjawiska do zbadania oraz wraz z postępem technologii i technik metodologicznych.

Wykorzystanie E. coli jako organizmu doświadczalnego umożliwiło badanie wielu pokoleń i dużych populacji w stosunkowo krótkim czasie. Ponadto, ze względu na długie stosowanie E. coli jako podstawowego organizmu modelowego w biologii molekularnej , dostępny był szeroki wachlarz narzędzi, protokołów i procedur do badania zmian na poziomie genetycznym, fenotypowym i fizjologicznym. Bakterie można również zamrozić i zakonserwować, zachowując przy tym żywotność. Pozwoliło to na stworzenie tego, co Lenski określa jako „zamrożony zapis kopalny” próbek ewoluujących populacji, które można ożywić w dowolnym momencie. Ten zamrożony zapis kopalny pozwala na ponowne uruchomienie populacji w przypadku skażenia lub innych zakłóceń w eksperymencie, a także pozwala na izolację i porównanie żywych egzemplarzy klonów przodków i ewoluujących. Lenski wybrał E. coli , który rozmnaża się wyłącznie bezpłciowo , nie ma żadnych plazmidów , które umożliwiałyby koniugację bakteryjną i nie ma zdolnych do życia profagów . W rezultacie ewolucja w eksperymencie zachodzi tylko w wyniku podstawowych procesów ewolucyjnych mutacji , dryfu genetycznego i doboru naturalnego . Ta ścisła aseksualność oznacza również, że markery genetyczne utrzymują się w liniach i kladach przez wspólne pochodzenie , ale nie mogą w inny sposób rozprzestrzeniać się w populacjach.

Lenski zdecydował się przeprowadzić eksperyment z bakteriami hodowanymi w pożywce o ograniczonej zawartości glukozy zwanej DM25, która jest oparta na pożywce minimalnej opracowanej przez Bernarda Davisa do stosowania w izolacji auksotroficznych mutantów E. coli przy użyciu penicyliny jako środka selektywnego. Aby wytworzyć DM25, pożywkę minimalną uzupełnia się niskim stężeniem (25 mg/l) glukozy. Lenski wybrał tę koncentrację, aby uprościć analizę ewolucji populacji poprzez zmniejszenie interferencji klonalnej , w której wiele wersji alleli konkuruje w ewoluującej populacji, jednocześnie zmniejszając możliwość ewolucji interakcji ekologicznych. To zastosowane stężenie glukozy obsługuje maksymalną populację 500 milionów komórek przodka w 10 ml hodowli, chociaż obecnie maksymalna liczba różni się w zależności od wyewoluowanych populacji. DM25 zawiera również dużą ilość cytrynianu (około 11-krotność stężenia glukozy), który został pierwotnie dodany przez Davisa, ponieważ poprawiał skuteczność zabijania penicyliny podczas jego eksperymentów, chociaż obecnie wiadomo, że pomaga w nabywaniu E. coli żelaza z ośrodka.

Metody

12 populacji jest utrzymywanych w inkubatorze o temperaturze 37 ° C (99 ° F) w laboratorium Lenskiego na Michigan State University . Każdego dnia 1% każdej populacji przenosi się do kolby ze świeżą pożywką wzrostową DM25. Rozcieńczenie oznacza, że ​​każda populacja doświadcza 6,64 pokoleń lub podwojeń każdego dnia. Duże, reprezentatywne próbki każdej populacji są zamrażane z gliceryną jako środkiem krioprotekcyjnym w odstępach co 500 pokoleń (75 dni). Bakterie w tych próbkach pozostają żywe i można je ożywić w dowolnym momencie. Ten zbiór próbek jest określany jako „zamrożony zapis kopalny” i zawiera historię ewolucji każdej populacji podczas całego eksperymentu. Populacje są również regularnie badane pod kątem zmian średniej sprawności i regularnie przeprowadzane są dodatkowe eksperymenty w celu zbadania interesujących zmian w populacjach. Od kwietnia 2016 r. E. coli były badane przez ponad 64 500 pokoleń i uważa się, że przeszły wystarczającą liczbę spontanicznych mutacji , że każda możliwa pojedyncza mutacja punktowa w genomie E. coli wystąpiła wiele razy.

Szczep założycielski

Szczep E. coli , który Lenski wybrał do wykorzystania w długoterminowym eksperymencie ewolucyjnym, pochodził od „szczepu B”, jak opisano w artykule Seymoura Lederberga z 1966 r. (Który błędnie zidentyfikował szczep jako „Bc251”, chociaż późniejsza analiza genetyczna wykazała zamiast tego ma to być „B”), za pośrednictwem Bruce'a Levina, który użył go w eksperymencie ekologii bakteryjnej w 1972 roku. Definiującymi cechami genetycznymi tego szczepu były: T6 r , Str r , r - m - , Ara - (niezdolny do rosną na arabinozie ). Lenski wyznaczył oryginalny szczep założycielski jako REL606. Przed rozpoczęciem eksperymentu Lenski wyizolował wariant Ara + szczepu, w którym mutacja punktowa w operonie ara przywróciła wzrost na arabinozie, którą nazwał szczepem REL607. Rozpoczynając długoterminowy eksperyment ewolucyjny, Lenski założył sześć populacji z sześcioma indywidualnymi koloniami Ara REL606 . Te populacje są określane jako Ara-1 do Ara-6. Lenski założył również sześć innych populacji z sześciu pojedynczych kolonii Ara + REL607. Są one określane jako populacje od Ara+1 do Ara+6. Różnice w markerach pozwalają na różnicowanie szczepów na płytkach z tetrazolium arabinozą, na których kolonie Ara − są czerwone, podczas gdy kolonie Ara + są białe do różowych. W trakcie eksperymentu każda populacja zgromadziła dużą liczbę odrębnych mutacji, które umożliwiają dalsze sposoby identyfikacji szczepów według populacji ich pochodzenia. [ potrzebne źródło ]

Wyniki

Zmiany w kondycji

Kalendarium długoterminowego eksperymentu ewolucyjnego E. coli , pokazujące związek między latami i pokoleniami ewolucji, a także znaczące wydarzenia i odkrycia.

Wiele analiz eksperymentu dotyczyło tego, jak zmieniło się dopasowanie populacji w stosunku do szczepu ich przodków. Wszystkie populacje wykazywały wzorzec szybkiego wzrostu względnej sprawności podczas wczesnych pokoleń, przy czym wzrost ten zmniejszał się w czasie. W ciągu 20 000 pokoleń populacje rosły o około 70% szybciej niż szczep przodków. Ten wzrost i spowolnienie wzrostu było kontynuowane w kolejnych pokoleniach. Badanie przeprowadzone w 2013 roku przez Wiser i in. zgłosili ciągłą poprawę po 50 000 pokoleń w porównaniu z próbkami wyizolowanymi po 40 000 pokoleń. Odkryli, że wzrost dopasowania pasuje do potęgowego znacznie lepiej niż modele hiperboliczne, które były używane wcześniej. Ponieważ model prawa potęgowego opisuje stale spowalniający wzrost, który nie ma górnej granicy, podczas gdy model hiperboliczny zakłada twardą granicę, prace sugerowały, że wzrost będzie kontynuowany bez ograniczeń, ponieważ mutacje o stopniowo niższych korzyściach zostały ustalone w populacjach. Dalsze prace opublikowane w 2015 roku przyniosły wyniki ponad 1100 nowych testów sprawności, które badały zmiany sprawności przez 60 000 pokoleń. Dane ponownie pasują do proponowanego modelu prawa potęgowego i rzeczywiście mieszczą się w przewidywaniach modelu z wcześniejszych danych. Wyniki te sugerują, że w przeciwieństwie do wcześniejszego myślenia, adaptacja i dywergencja adaptacyjna mogą potencjalnie wzrastać w nieskończoność, nawet w stałym środowisku.

Ewolucja genomu

Z 12 populacji, jak dotąd zgłoszono, że w sześciu rozwinęły się defekty w ich zdolności do naprawy DNA , co znacznie zwiększyło tempo mutacji w tych szczepach. Chociaż uważa się, że bakterie w każdej populacji wygenerowały setki milionów mutacji w ciągu pierwszych 20 000 pokoleń, Lenski oszacował, że w tym przedziale czasowym tylko 10 do 20 korzystnych mutacji osiągnęło utrwalenie w każdej populacji, przy czym łącznie mniej niż 100 mutacji punktowych (w tym mutacje neutralne ) osiągając fiksację w każdej populacji. W 2009 roku Barrick i in. podali wyniki sekwencji genomu z wielu punktów czasowych w populacji Ara-1. Odkryli, że w przeciwieństwie do malejącego tempa poprawy sprawności, akumulacja mutacji była liniowa i podobna do zegara, chociaż kilka linii dowodów sugerowało, że duża część akumulacji była korzystna, a nie neutralna.

Ewolucja zwiększonej wielkości komórek we wszystkich dwunastu populacjach

Wzrost wielkości komórek bakterii w eksperymencie Lenskiego

Wszystkie dwanaście eksperymentalnych populacji wykazuje wzrost wielkości komórek równoczesny ze spadkiem maksymalnej gęstości populacji, aw wielu populacjach bardziej zaokrąglony kształt komórek. Ta zmiana była częściowo wynikiem mutacji, która zmieniła ekspresję genu białka wiążącego penicylinę , co pozwoliło zmutowanym bakteriom konkurować z bakteriami przodków w warunkach długoterminowego eksperymentu ewolucyjnego. Jednak chociaż ta mutacja zwiększyła sprawność w tych warunkach, zwiększyła również wrażliwość bakterii na stres osmotyczny i zmniejszyła ich zdolność do przetrwania długich okresów w hodowlach w fazie stacjonarnej.

Specjalizacja ekologiczna

W trakcie eksperymentu populacje ewoluowały, aby specjalizować się w zasobach glukozy, na których rosną. Zostało to po raz pierwszy opisane w 2000 roku, kiedy Cooper i Lenski wykazali, że wszystkie populacje doświadczyły zaniku niewykorzystanych funkcji metabolicznych po 20 000 pokoleń, ograniczając zakres substancji, na których bakterie mogą rosnąć. Ich analiza sugerowała, że ​​ten rozpad był spowodowany antagonistyczną plejotropią , w której mutacje poprawiające zdolność do wzrostu na glukozie zmniejszyły lub wyeliminowały zdolność do wzrostu na innych substancjach. Późniejsze badanie przeprowadzone przez Leiby'ego i Marksa, w którym zastosowano bardziej zaawansowane techniki, wykazało, że znaczna część rozpadu zidentyfikowanego przez Coopera i Lenskiego była artefaktami eksperymentalnymi, że utrata nieużywanych funkcji nie była tak rozległa, jak początkowo sądzono, i że niektóre nieużywane funkcje uległy poprawie. Ponadto doszli do wniosku, że straty metaboliczne nie były spowodowane antagonistyczną plejotropią, ale neutralną akumulacją mutacji w nieużywanych częściach genomu, co sugeruje, że adaptacja do prostego środowiska niekoniecznie musi prowadzić do specjalizacji.

Ewolucja zrównoważonego polimorfizmu i prostych ekosystemów

Dwa odrębne warianty, S i L, zidentyfikowano w populacji oznaczonej jako Ara-2 w 18 000 pokoleń na podstawie tworzenia przez nie odpowiednio małych i dużych kolonii. Klony typu S i L mogły stabilnie współistnieć we wspólnej kulturze ze sobą, co wskazuje, że zajmowały odrębne nisze w populacji. Zostało to zweryfikowane przez stwierdzenie, że typ L miał przewagę podczas wzrostu na glukozie, ale że typ S miał przewagę podczas fazy stacjonarnej, po wyczerpaniu glukozy. Stwierdzono, że te dwa typy początkowo ewoluowały przed 6000 pokoleń, a następnie współistniały. Analiza filogenetyczna klonów dwóch typów wyizolowanych z różnych pokoleń wykazała, że ​​typy S i L należały do ​​różnych, współistniejących linii w populacji i mogły przechodzić początkową specjację.

Ewolucja tlenowego stosowania cytrynianu w jednej populacji

Tło

Populacja oznaczona jako Ara-3 (w środku) jest bardziej mętna , ponieważ ta populacja ewoluowała, aby wykorzystywać cytrynian obecny w pożywce wzrostowej.

E. coli zwykle nie jest w stanie rosnąć w warunkach tlenowych na cytrynianie z powodu niezdolności do ekspresji transportera cytrynianu, gdy obecny jest tlen. Jednak E. coli ma pełny cykl kwasu cytrynowego i dlatego metabolizuje cytrynian jako produkt pośredni podczas wzrostu tlenowego na inne substancje, w tym glukozę. Większość E. coli może rosnąć beztlenowo na cytrynianie poprzez fermentację , jeśli dostępny jest współsubstrat, taki jak glukoza, zapewniający siłę redukującą. Wzrost beztlenowy jest możliwy dzięki ekspresji przezbłonowego genu antyportera cytrynianowo-bursztynianowego, citT , który został po raz pierwszy zidentyfikowany w 1998 roku. Gen ten jest współregulowany z innymi genami zaangażowanymi w fermentację cytrynianową znajdującymi się na operonie cit , który jest włączony tylko wtedy, gdy brakuje tlenu.

Niezdolność do wzrostu tlenowego na cytrynianie, określana jako fenotyp Cit- , jest uważana za charakterystyczną cechę E. coli jako gatunku, która była cennym środkiem do odróżnienia E. coli od patogennej Salmonelli . Chociaż szczepy Cit + E. coli zostały wyizolowane z próbek środowiskowych i rolniczych, w każdym takim przypadku stwierdzono, że cecha ta jest spowodowana obecnością plazmidu, który przenosi obcy transporter cytrynianu. Pojedynczy spontaniczny mutant Cit + E. coli został opisany przez Halla w 1982 roku. Mutant ten został wyizolowany podczas przedłużonej selekcji do wzrostu na innej nowej substancji w bulionie wzrostowym, który również zawierał cytrynian. Analiza genetyczna Halla wykazała, że ​​leżąca u podstaw mutacja była złożona, ale ostatecznie nie był w stanie zidentyfikować dokładnych zmian lub zaangażowanych genów, co doprowadziło go do postawienia hipotezy aktywacji tajemniczego genu transportera. Regiony genomu, do których Hall był w stanie zawęzić lokalizacje zmian, nie odpowiadają znanej lokalizacji genu citT zidentyfikowanej 16 lat później, ani też cechy fizjologiczne w testach transportu mutantów Halla Cit + nie odpowiadają oczekiwanym dla tlenowej ekspresji transportera CitT.

Cit + ewoluuje w LTEE

W 2008 roku zespół Lenskiego, kierowany przez Zachary'ego D. Blounta , poinformował, że zdolność do wzrostu tlenowego na cytrynianie wyewoluowała w jednej populacji. Około pokolenia 33 127 zaobserwowano dramatyczny wzrost zmętnienia w populacji oznaczonej jako Ara-3. Odkryli, że populacja zawierała klony zdolne do wzrostu tlenowego na cytrynianie (Cit + ). Ta zdolność metaboliczna umożliwiła wzrost populacji kilka razy większy niż wcześniej, ze względu na dużą ilość cytrynianu obecnego w pożywce. Badanie zamrożonych próbek skamieniałości populacji wykazało, że klony Cit + można wyizolować już w 31 500 pokoleniach. Stwierdzono, że warianty Cit + w populacji posiadają szereg markerów genetycznych unikalnych dla populacji Ara-3; ta obserwacja wykluczyła możliwość, że klony były zanieczyszczeniami, a nie spontanicznymi mutantami. W serii eksperymentów, które „odtworzyły” taśmę ewolucji Ara-3 z Cit - klonów wyizolowanych z próbek zamrożonych w różnych punktach czasowych w historii populacji, wykazali, że zdolność do wzrostu tlenowego na cytrynianie była bardziej prawdopodobna do ponownej ewolucji w podzbiorze genetycznie czystych, wyewoluowanych klonów. W tych eksperymentach zaobserwowali 19 nowych, niezależnych przypadków ponownej ewolucji Cit + , ale tylko wtedy, gdy zaczynali od klonów wyizolowanych z pokolenia po 20 000. Testy fluktuacji wykazały, że klony z tego pokolenia i późniejszych wykazywały tempo mutacji do cechy Cit + , które było znacznie wyższe niż tempo przodków. Nawet w tych późniejszych klonach tempo mutacji do Cit + było rzędu jednego wystąpienia na bilion podziałów komórkowych.

Lenski i jego współpracownicy doszli do wniosku, że ewolucja funkcji Cit + w tej jednej populacji powstała z powodu jednej lub więcej wcześniejszych, prawdopodobnie nieadaptacyjnych, „wzmacniających” mutacji, które zwiększyły tempo mutacji do dostępnego poziomu. Dane sugerują, że użycie cytrynianu obejmowało co najmniej dwie mutacje następujące po tych „wzmacniających” mutacjach. Mówiąc bardziej ogólnie, autorzy sugerują, że wyniki te wskazują, zgodnie z argumentacją Stephena Jaya Goulda , że ​​„historyczna przygodność może mieć głęboki i trwały wpływ” na przebieg ewolucji. Odkrycia te zostały uznane za znaczący przykład wpływu historycznej przygodności na ewolucję.

Analiza genomowa cechy Cit + i implikacje dla innowacji ewolucyjnych

Cit + została zaktualizowana przez mutację duplikacji, która stworzyła nowy moduł regulatorowy poprzez umieszczenie kopii genu citT , który koduje antyporter cytrynianowo-bursztynianowy pod kontrolą promotora, który wspiera ekspresję w warunkach tlenowych. Ta mutacja powoduje ekspresję transportera CitT, gdy obecny jest tlen, umożliwiając wzrost na cytrynianie.

W 2012 roku Lenski i jego zespół przedstawili wyniki analizy genomicznej cechy Cit + , która rzuca światło na podłoże genetyczne i ewolucyjną historię tej cechy. Naukowcy zsekwencjonowali całe genomy dwudziestu dziewięciu klonów wyizolowanych z różnych punktów czasowych w historii populacji Ara-3. Wykorzystali te sekwencje do zrekonstruowania filogenetycznej historii populacji; ta rekonstrukcja wykazała, że ​​​​populacja zróżnicowała się na trzy klady przez 20 000 pokoleń. Warianty Cit + wyewoluowały w jednym z nich, który nazwali Kladem 3. Klony, które we wcześniejszych badaniach okazały się wzmocnione, były rozmieszczone we wszystkich trzech kladach, ale były nadreprezentowane w Kladzie 3. Doprowadziło to naukowców do wniosku że były co najmniej dwie mutacje wzmacniające zaangażowane w ewolucję Cit + .

Naukowcy odkryli również, że wszystkie klony Cit + miały mutacje, w których segment DNA o długości 2933 par zasad został zduplikowany lub zamplifikowany. Zduplikowany segment zawierał gen citT dla białka transportera cytrynianu stosowanego w beztlenowym wzroście na cytrynianie. Powielanie jest tandemowe i zaowocowało kopiami, które były względem siebie od głowy do ogona. Ta nowa konfiguracja umieściła kopię wcześniej cichego, niewyrażonego citT pod kontrolą promotora sąsiedniego genu rnk , który kieruje ekspresją, gdy obecny jest tlen. Ten nowy moduł rnk-citT wytworzył nowy wzorzec regulacyjny dla citT , aktywujący ekspresję transportera cytrynianu, gdy obecny był tlen, a tym samym umożliwił wzrost tlenowy na cytrynianie.

, że ruch tego modułu rnk-citT do genomu wzmocnionego klonu Cit- jest wystarczający do wytworzenia fenotypu Cit + . Jednak początkowy fenotyp Cit + nadany przez duplikację był bardzo słaby i zapewniał tylko około 1% korzyści w zakresie sprawności. Naukowcy odkryli, że liczba kopii rnk-citT musiała zostać zwiększona, aby wzmocnić cechę Cit + na tyle, aby bakterie mogły dobrze rosnąć na cytrynianie. Dalsze mutacje po tym, jak bakterie Cit + stały się dominujące w populacji, nadal kumulowały lepszy wzrost na cytrynianie. [ potrzebne źródło ]

Badacze doszli do wniosku, że ewolucja cechy Cit + zachodziła w trzech odrębnych fazach: (1) nagromadzenie mutacji, które zwiększyły tempo mutacji do Cit + , (2) sama cecha pojawiła się w słabej formie oraz (3) cecha został ulepszony przez późniejsze mutacje. Blount i in. zasugerował, że ten wzorzec może być typowy dla ogólnej ewolucji nowych cech i zaproponował trzyetapowy model innowacji ewolucyjnych:

  1. Wzmacnianie : ewoluuje tło genetyczne, w którym cecha jest dostępna mutacyjnie, umożliwiając ewolucję cechy.
  2. Aktualizacja : występuje mutacja, która wytwarza cechę, powodując jej manifestację, choć prawdopodobnie w słabej formie.
  3. Udoskonalenie : Gdy cecha istnieje, jeśli zapewnia selektywną korzyść, mutacje będą się kumulować, które poprawią cechę, czyniąc ją skuteczną. Ta faza jest otwarta i będzie trwała tak długo, jak długo pojawią się udoskonalające mutacje, a cecha pozostanie korzystna.

Model ten spotkał się z akceptacją w biologii ewolucyjnej. W 2015 roku paleontolog Douglas Erwin zasugerował modyfikację czteroetapowego modelu, aby lepiej odzwierciedlić możliwe rozróżnienie między ewolucyjną nowością a ewolucyjną innowacją oraz podkreślić znaczenie warunków środowiskowych: wzmacnianie, generowanie nowych fenotypów (aktualizacja), udoskonalanie adaptacyjne i eksploatacja (przekształcenie nowości w innowację, gdy staje się ważna dla ekologicznego ustanowienia organizmów posiadających).

Badanie potencjacji

W 2014 roku zespół badawczy kierowany przez Erica Quandta w laboratorium Jeffreya Barricka na University of Texas w Austin opisał zastosowanie nowej techniki zwanej Recursive Genomewide Recombination and Sequencing (REGRES) do identyfikacji mutacji wzmacniających wśród 70 obecnych w Ara -3 rodowód, który wyewoluował Cit + . Ta metoda wykorzystywała wiele rund procesu, w którym koniugacja oparta na plazmidzie F między klonem Cit + generacji 33 000 , CZB154, a klonem założycielskim Cit LTEE w celu oczyszczenia mutacji, które nie są wymagane ani do manifestacji słabej, ani silnej formy Cit + cecha, którą nazywają Cit ++ . Odkryli, że rnk-citT odpowiedzialny za zmianę fenotypu na Cit + był wystarczający do wytworzenia słabego fenotypu Cit + u przodka. Zidentyfikowali również mutację, która wystąpiła w linii prowadzącej do CZB154 po początkowej ewolucji Cit + , która nadała silny fenotyp Cit ++ u przodka bez jakiejkolwiek mutacji poza modułem rnk-citT . Ta mutacja, znaleziona w regionie regulatorowym genu zwanego dctA , spowodowała ogromny wzrost ekspresji transportera DctA , który importuje C4 - dikarboksylany do komórki. Stwierdzili, że zwiększona ekspresja DctA umożliwiła komórkom Cit + ponowne wychwytywanie bursztynianu , jabłczanu i fumaranu uwalnianych do pożywki przez transporter CitT podczas importu cytrynianu. Zidentyfikowali podobną mutację w klonach Cit ++ w populacji Ara-3, która zwiększała ekspresję DctA poprzez przywrócenie funkcji genu, który ją reguluje, dcuS , który został dezaktywowany w klonie przodków. Quandta i in. doszli do wniosku, że dctA nie była zaangażowana we wzmocnienie, ale udoskonalenie. To skłoniło ich do zasugerowania, że ​​ewolucja Cit + w populacji Ara-3 mogła być uzależniona od tła genetycznego i specyficznej dla populacji ekologii, która pozwoliła wczesnym, słabym wariantom Cit + przetrwać w populacji wystarczająco długo, aby udoskonalić mutacje. i sprawiają, że wzrost na cytrynianie jest wystarczająco silny, aby zapewnić znaczną korzyść w zakresie sprawności. [ potrzebne źródło ]

Quandt i jego współpracownicy opublikowali później wyniki definitywnie identyfikujące mutację, która wzmocniła ewolucję Cit + . Ta mutacja była w gltA , który koduje syntazę cytrynianową , enzym biorący udział w przepływie węgla do cyklu kwasu cytrynowego . Miało to wpływ na zwiększenie aktywności syntazy cytrynianowej i wykazali, że pozwoliło to na lepszy wzrost na octanie . Co więcej, w przypadku mutacji gltA moduł rnk-citT , który powoduje cechę Cit + , ma efekt przystosowania od neutralnego do lekko korzystnego, podczas gdy bez niego moduł był silnie szkodliwy. Wydaje się zatem, że mutacja gltA pozwoliła na przetrwanie wczesnych, słabych wariantów Cit + w populacji, aż do pojawienia się późniejszych mutacji rafinujących, zgodnie z ich wcześniejszymi wnioskami. Po wyewoluowaniu silnego fenotypu Cit ++ zwiększona aktywność syntazy cytrynianowej stała się szkodliwa. Naukowcy odkryli, że późniejsze mutacje w gltA przeciwdziałały pierwszej mutacji, zmniejszając aktywność syntazy cytrynianowej i dalej poprawiając wzrost na cytrynianie. Doszli do wniosku, że seria mutacji w gltA najpierw wzmocniła, a następnie udoskonaliła wzrost na cytrynianie. Zasugerowali również, że linia, w której powstał Cit +, mogła zajmować niszę w Ara-3 w oparciu o wzrost na octanie i że wzmacniające mutacje, które doprowadziły do ​​ewolucji Cit + w Ara-3, były pierwotnie adaptacyjne do stosowania octanu. [ potrzebne źródło ]

Badanie ekologii post-Cit + i trwałej różnorodności

Niewielka subpopulacja komórek Cit - niezdolnych do wzrostu na cytrynianie i należących do odrębnego kladu przetrwała w populacji po tym, jak komórki Cit + stały się dominujące. Wczesne odkrycia wykazały, że ta różnorodność była częściowo spowodowana lepszym wzrostem komórek Cit- na glukozie w pożywce . Turnera i in. później odkryli, że innym czynnikiem stojącym za współistnieniem było to, że komórki Cit - wyewoluowały zdolność do krzyżowania się z większością Cit + . Wykazali, że komórki Cit + uwalniają bursztynian , jabłczan i fumaran podczas wzrostu na cytrynianie, ponieważ transporter CitT wypompowuje te substancje z komórki podczas pompowania cytrynianu do komórki. Komórki Cit − szybko rozwinęły zdolność wzrostu na tych substancjach dzięki mutacji, która przywróciła ekspresję odpowiedniego białka transportera, które było wyciszone u przodka.

Cit ostatecznie wymarła w populacji między 43 500 a 44 000 pokoleń . Wykazano, że to wyginięcie nie było spowodowane ewolucją większości Cit + , aby móc zaatakować niszę zajmowaną przez mniejszość Cit - . Rzeczywiście, klony Cit - mogły zaatakować populacje Cit + po wyginięciu. Co więcej, w eksperymencie, w którym ponownie uruchomili dwadzieścia powtórzeń populacji Ara-3 z próbki zamrożonej 500 pokoleń przed wyginięciem, Turner i in. stwierdzili, że subpopulacja Cit - nie wyginęła w żadnym z powtórzeń po 500 pokoleniach ewolucji. Jedno z tych powtórzeń było kontynuowane przez 2500 pokoleń, podczas których Cit − nadal współistniało. Naukowcy doszli do wniosku, że wyginięcie Cit − było spowodowane jakimś nieznanym „rzadkim zaburzeniem środowiskowym”, podobnym do tego, które może wpływać na naturalne populacje. Ostateczna replika została włączona do głównego eksperymentu LTEE, stając się trzynastą populacją, Ara-7.

Różne interpretacje wyników

Inni badacze eksperymentowali z ewoluującymi tlenowymi cytrynianami E. coli . Dustina Van Hofwegena i in. byli w stanie wyizolować 46 niezależnych mutantów E. coli wykorzystujących cytrynian w ciągu zaledwie 12 do 100 pokoleń, stosując bardzo przedłużoną selekcję w warunkach głodu, podczas której bakterie szybciej próbkowałyby więcej mutacji. W swoich badaniach sekwencjonowanie genomowego DNA ujawniło amplifikację loci citT i dctA , a rearanżacja DNA była tą samą klasą mutacji zidentyfikowanych w eksperymencie przez Richarda Lenskiego i jego zespół. Doszli do wniosku, że rzadkość mutanta wykorzystującego cytrynian w badaniach Lenskiego była prawdopodobnie wynikiem selektywnych warunków eksperymentalnych stosowanych przez jego zespół, a nie była wyjątkowym wydarzeniem ewolucyjnej specjacji.

John Roth i Sophie Maisnier-Patin dokonali przeglądu podejść zarówno do opóźnionych mutacji zespołu Lenski, jak i szybkich mutacji zespołu Van Hofwegen w E. coli . Twierdzą, że oba zespoły obserwowały tę samą sekwencję wzmacniania, aktualizacji i udoskonalania, prowadzącą do podobnych wariantów Cit + . Według nich okres Lenskiego krótszy niż jeden dzień, podczas którego użycie cytrynianu byłoby w trakcie selekcji, po którym następowało 100-krotne rozcieńczenie, oraz okres wzrostu na glukozie, który nie selekcjonowałby użycia cytrynianu; ostatecznie obniżyło prawdopodobieństwo, że E. coli będzie w stanie akumulować wczesne mutacje adaptacyjne z jednego okresu selekcji do następnego. W przeciwieństwie do tego zespół Van Hofwegena pozwolił na ciągły okres selekcji wynoszący 7 dni, co zaowocowało szybszym rozwojem E. coli wykorzystującej cytrynian . Roth i Maisnier-Patin sugerują, że seryjne rozcieńczenia E. coli i krótki okres selekcji do użycia cytrynianów w warunkach LTEE nieustannie utrudniały każdej generacji E. coli osiągnięcie kolejnych etapów tlenowego wykorzystania cytrynianu.

Lenski argumentuje, że problem nie dotyczy eksperymentów ani danych, ale interpretacji dokonanych przez Van Hofwegena i in. oraz Maisnier-Patin i Roth. Według niego szybka ewolucja Cit + niekoniecznie była nieoczekiwana, ponieważ jego zespół był również w stanie wyprodukować wiele mutantów Cit + w ciągu kilku tygodni podczas eksperymentów powtórkowych. Twierdzi, że LTEE nie zostało zaprojektowane do izolowania mutantów wykorzystujących cytrynian ani do radzenia sobie ze specjacją, która jest procesem, a nie zdarzeniem. Ponadto argumentował, że ewolucja Cit + w LTEE była uzależniona od mutacji, które nagromadziły się wcześniej.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=E._coli_long-term_evolution_experiment&oldid=1129159129 ”