I populationer af mikrober, bioingeniører finder en balance mellem modsatrettede genomiske kræfter

Sergei Maslov, en professor i bioteknik og fysik ved University of Illinois, ser et "univers i et sandkorn." Hans forskning søger at udforske dette univers ved at fokusere på den genomiske mangfoldighed af dets bestanddele:de millioner af mikrober, der trives og formerer sig i det.

Maslovs nylige undersøgelse, udgivet i Genetik , undersøgt dynamikken, der styrer denne mangfoldighed ved at modellere virkningerne af flere forskellige faktorer på evolutionen af ​​genomsekvensen. Medforfattere til undersøgelsen var tidligere medlemmer af Maslovs laboratorium, Purushottam Dixit, nu postdoc-forsker ved Columbia University, og Tin Yau Pang, nu postdoc-forsker ved universitetet i Düsseldorf. Sammen, Dixit, Pang og Maslov, som også er Bliss Faculty Scholar og medlem af Carl R. Woese Institute for Genomic Biology og National Center for Supercomputing Applications, klarlagt de forhold, der enten holder en bakterieart sammenhængende eller driver den mod mangfoldighed.

Oprindelsen til dette værk var en tilfældig interaktion mellem Maslov og hans kollega F. William Studier, en kendt biolog ved Brookhaven National Laboratory. Studier og andre udforskede genomsekvensen af ​​forskellige stammer af Escherichia coli og blev fascineret af en observation af, at nogle områder af genomet varierede dramatisk - mere end forventet tilfældigt - i antallet af sekvensforskelle mellem de to stammer.

Maslov blev draget ind i det puslespil, som dette fund præsenterede, og til sidst hjalp gruppen med at konkludere, at regioner med meget forskellige sekvenser kunne forklares ved rekombination, en mekanisme, der gør det muligt for bakterieceller at få fragmenter af DNA fra deres naboer og inkorporere dem i deres egne genomer.

"Jeg er en beregningsperson, så jeg er virkelig ikke motiveret af et felt, der nødvendigvis er interesseret i problemer. Så hvis det er et puslespil, Jeg kan godt lide at knække det, hvis det er muligt, " sagde Maslov. Selv efter at arbejdet med Studier blev offentliggjort, Maslov fortsatte med at føle sig draget af spørgsmål, der blev stillet af resultatet. "Vi ønskede at forstå, hvordan bakteriearter dannes, og hvad er de kræfter, der holder dem sammenhængende."

Uddannet fysiker, Maslov stiller dette spørgsmål i termer af kosmologi:i mikrobernes univers, hvordan virker mutation, tilfældige fejl i genomsekvensen, der udvider variationen fundet i en stamme, sammenligne med den bindende "tyngdekraft" af rekombination? Han og hans medforfattere satte sig for at besvare dette spørgsmål ved hjælp af den stadigt voksende offentlige database med bakterielle genomiske data.

"Umiddelbart efter en rekombinationshændelse, to bakterielle genomer bliver identiske for et stykke af deres genomiske sekvens, hvilket betyder, at de på en eller anden måde er tættere på hinanden. . . [men] hvis du har to bakteriesekvenser, der divergerede for langt fra hinanden, de mister bare evnen til at rekombinere med hinanden, " sagde Maslov. "Vores mål var at forsøge at forstå mere generelt problemet med vedligeholdelse af bakteriearter."

Maslov og hans medforfattere udviklede en beregningsmodel, der fangede de grundlæggende elementer i bakteriel evolution:det eksisterende niveau af genomisk diversitet mellem par af individer i en population, hastigheden af ​​tilfældige mutationer, og evnen til rekombination. Modellen kvantificerede forholdet mellem alle disse faktorer, da de påvirker genomsekvensen i en population af bakterier. Forskerne fandt ud af, at balancen mellem disse faktorer skaber en ret skarp opdeling mellem to adskilte tilstande - metastabilitet og divergens.

"De vigtigste parametre, der viser sig at være relevante ... er den hyppighed, hvormed den særlige genomiske organisme rekombinerer med medlemmer af sin egen art, og den samlede befolkningsstørrelse, så afhængigt af disse to variable kan du have to regimer, enten et regime, hvor rekombination sker så ofte, at man har en sammenhængende art, som forbliver sammen i lang tid, eller du har dette regime, hvor det bryder ind i underarter, " sagde Maslov.

Med andre ord, hyppige rekombinationshændelser kan holde en population af bakterier i en metastabil tilstand, en, hvor det er usandsynligt, at artsdannelse vil forekomme i løbet af mange generationer. En større population, hvor mutationshastigheden kan opveje homogeniserende virkninger af rekombination, vil afvige hurtigt. Men Maslov understregede, at over en lang nok tidsskala, artsdannelse er lige så uundgåelig som universets udvidelse.

"Før eller siden vil der være en vanvittig ulykke, fordi i det øjeblik den genetiske afstand mellem to arter overstiger en vis tærskel, de mister effektivt evnen til at rekombinere, " sagde han. "Den nye art vil dannes - så det er mere et spørgsmål om, hvor længe en given enhed, som vi i dag kalder en bakterieart, vil leve for."

Ved at belyse grundlæggende træk ved bakteriel artsdannelse, dette arbejde behandler grundlæggende spørgsmål om evolution og kan i sidste ende bidrage til bestræbelser på at spore og forhindre udviklingen af ​​lægemiddelresistens eller virulens hos sygdomsfremkaldende patogener.