Forskning genovervejer den evolutionære betydning af variabilitet i en befolkning

Det har længe været antaget, at variabilitet inden for en befolkning er nøglen til befolkningens vækst og overlevelse, men nye forskningsspørgsmål antager den.

Ariel Amir, Adjunkt i anvendt matematik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, og Jie Lin, George Carrier postdoc-stipendiat i anvendt matematik, fandt ud af, at i et uforanderligt miljø, Variabilitet kan faktisk sænke befolkningstilvæksten i enkeltcellede organismer.

"I årtier, forskere har kigget på den forkerte indikator for at forstå befolkningsvæksthastigheden i enkeltcellede organismer i faste miljøer, " sagde Amir. "Forskere tog for givet, at variabilitet i tiden mellem en celles fødsel og deling var nøglen til at måle befolkningsvækst, men vi fandt ud af, at det evolutionære pres på variabilitet inden for en population er meget mere nuanceret end tidligere antaget."

Denne indsigt er vigtig for at karakterisere en befolknings kondition, hvilket er nyttigt, for eksempel, i at forstå, hvordan bakterier reagerer på antibiotika. Forskningen er publiceret i Cellesystemer .

Variabilitet i enkeltcellede organismer er karakteriseret ved forskelle i generationstid - tiden fra fødsel til deling - og forskelle i cellebiomassevæksthastighed. Sædvanlig forskning i 1950'erne fandt, at variationer i generationstid - den tid det tager fra fødsel til deling - fører til en større befolkningstilvækst, når miljøet er uforanderligt. Imidlertid, forskere havde antaget, at generationstiden var tilfældig og uafhængig fra mor til dattercelle.

Men nu ved vi, at det ikke er tilfældet. I 2014 og 2015 Amir og hans team demonstrerede, at cellevolumen og interdivisionstid er korreleret på tværs af generationer, og kvantificerede disse sammenhænge. Hvis en modercelle vokser i længere tid end gennemsnittet, for eksempel, så skulle en dattercelle vokse i kortere tid end gennemsnittet for at kompensere.

"Uanset hvor små disse sammenhænge er, de ændrer dybtgående resultatet af, hvordan variabilitet ændrer befolkningstilvæksten, " sagde Lin.

Lin og Amir fandt ud af, at variabiliteten i enkeltcellet biomassevæksthastighed - ikke generationstid - påvirker befolkningsstørrelsen. Som resultat, lav cellulær væksthastighedsvariabilitet fører til en stigning i befolkningsvækst.

"Evolutionært set, hvis du ønsker at optimere din befolkningstilvækst, du ønsker at minimere variationen i din cellevæksthastighed, " sagde Amir. "Vi fandt ud af, at generationsudsving ikke betyder noget. Du kan have opdelinger, der varierer vildt. Så længe din biomasse altid stiger med samme hastighed, din befolkning vil fortsætte med at vokse i samme hastighed. Tilsvarende detaljerne i den mekanisme, der kontrollerer cellestørrelsen, betyder ikke noget - så længe den eksisterer - hvilket er forskellen mellem vores analyse og tidligere arbejde."

Dette kan også ses eksperimentelt. Forskerne observerede, at vækstratsudsving i E. coli er mindre end udsving i generationstid – i nogle tilfælde 6 procent vækstratevariabilitet sammenlignet med 20 til 30 procent variation i generationstid – og at befolkningsvækstraten var i overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser .

"Dette viser, at cellestørrelseskontrol skal tages i betragtning i befolkningstilvæksten, og disse subtile korrelationer, som a priori kan synes at være uskadelige, er faktisk virkelig vigtige, " sagde Amir.