PNAS: эволюция не так случайна, как считалось ранее

Новое исследование показало, что эволюция не так непредсказуема, как считалось ранее, что может позволить ученым изучить, какие гены могут быть полезны для решения реальных проблем, таких как устойчивость к антибиотикам, болезни и изменение климата.

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, бросает вызов давнему убеждению о непредсказуемости эволюции и обнаружило, что на эволюционную траекторию генома может влиять его эволюционная история, а не исторические случайности.

Исследование возглавили профессор Джеймс МакИнерни и доктор Алан Биван из Школы наук о жизни Ноттингемского университета, а также доктор Мария Роза Доминго-Сананес из Университета Ноттингем Трент.

«Последствия этого исследования являются не чем иным, как революционными», — сказал ведущий автор исследования профессор Макинерни. «Демонстрируя, что эволюция не так случайна, как мы когда-то думали, мы открыли дверь множеству возможностей в синтетической биологии, медицине и науке об окружающей среде».

Команда провела анализ пангенома — полного набора генов внутри данного вида, чтобы ответить на важнейший вопрос о том, предсказуема ли эволюция или же эволюционные пути геномов зависят от их истории и поэтому сегодня не предсказуемы.

Используя подход машинного обучения, известный как «Случайный лес», а также набор данных из 2500 полных геномов одного вида бактерий, команда провела несколько сотен тысяч часов компьютерной обработки, чтобы решить этот вопрос.

После загрузки данных в компьютер команда сначала создала «семейства генов» из каждого гена каждого генома. «Таким образом, мы могли бы сравнивать сходные геномы», — сказал доктор Доминго-Сананес.

После того, как семейства были идентифицированы, команда проанализировала закономерности того, как эти семейства присутствуют в одних геномах и отсутствуют в других.

«Мы обнаружили, что некоторые семейства генов никогда не появлялись в геноме, когда там уже присутствовало какое-то другое семейство генов, а в других случаях некоторые гены очень сильно зависели от присутствия другого семейства генов», - пояснили ученые.

По сути, исследователи обнаружили невидимую экосистему, в которой гены могут сотрудничать или конфликтовать друг с другом.

«Эти взаимодействия между генами делают аспекты эволюции в некоторой степени предсказуемыми, и более того, теперь у нас есть инструмент, который позволяет нам делать такие прогнозы», — добавляет доктор Доминго-Сананес.

Доктор Биван сказал: «Благодаря этой работе мы можем начать исследовать, например, какие гены «поддерживают» ген устойчивости к антибиотикам. Следовательно, если мы пытаемся устранить устойчивость к антибиотикам, мы можем нацеливаться не только на очаговый ген, но и на может также нацеливаться на поддерживающие его гены. Мы можем использовать этот подход для синтеза новых видов генетических конструкций, которые можно было бы использовать для разработки новых лекарств или вакцин. Знание того, что мы знаем сейчас, открыло дверь для целого ряда других открытий».

Ученые отмечают, что результаты исследования имеют далеко идущие последствия и могут привести к:

• Новый дизайн генома — позволяет ученым создавать синтетические геномы и обеспечивает план действий для предсказуемых манипуляций с генетическим материалом.
• Борьба с устойчивостью к антибиотикам. Понимание зависимостей между генами может помочь определить «вспомогательный состав» генов, которые делают возможной устойчивость к антибиотикам, открывая путь для целенаправленного лечения.
• Смягчение последствий изменения климата. Результаты исследования могут помочь в разработке микроорганизмов, предназначенных для улавливания углерода или разложения загрязняющих веществ, тем самым способствуя усилиям по борьбе с изменением климата.
• Медицинские применения. Предсказуемость взаимодействия генов может произвести революцию в персонализированной медицине, предоставив новые показатели риска заболеваний и эффективности лечения.