Eksperyment długoterminowej ewolucji E. coli - E. coli long-term evolution experiment

12 populacji E. coli LTEE 25 czerwca 2008 r.

E. coli długoterminowa ewolucja eksperymentu ( Ltée ) jest w toku badania rozwoju doświadczalnego prowadzony przez Richard Lenski który śledzi zmiany genetyczne w 12 początkowo identycznych populacji bezpłciowy Escherichia coli, bakterie od 24 lutego 1988. populacji osiągnął etap z 50 000 pokoleń w lutym 2010 r. Lenski przeprowadził 10 000 transferu eksperymentu 13 marca 2017 r. Populacje osiągnęły 73 500 pokoleń na początku 2020 r., Krótko przed zamrożeniem z powodu pandemii COVID-19. We wrześniu 2020 r. eksperyment LTEE został wznowiony przy użyciu zamrożonych zapasów.

W trakcie eksperymentu Lenski i jego koledzy donieśli o szerokim wachlarzu 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 ulegała spowolnieniu, szybsze tempo wzrostu i zwiększony rozmiar komórek. W połowie populacji wykształciły się defekty naprawy DNA, które spowodowały fenotypy mutacyjne charakteryzujące się podwyższonym tempem mutacji. Najbardziej uderzającą adaptacją opisaną do tej pory jest ewolucja wzrostu tlenowego na cytrynianie, co jest niezwykłe w przypadku E. coli , w jednej populacji w pewnym momencie między pokoleniami 31.000 a 31.500.

4 maja 2020 r. Lenski ogłosił pięcioletnie odnowienie grantu w ramach programu Long-Term Research in Environmental Biology (LTREB) Narodowej Fundacji Nauki, który wspiera LTEE. Zapowiedział również, że w ciągu najbliższych 5 lat eksperyment zostanie przeniesiony pod nadzór dr Jeffrey E. Barrick, profesora nadzwyczajnego Biosciences Molecular na The University of Texas w Austin.

Podejście eksperymentalne

Długoterminowy eksperyment ewolucyjny został zaprojektowany jako otwarty sposób empirycznego badania głównych cech ewolucji . Eksperyment rozpoczęto od trzech głównych celów:

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

Eksperyment był kontynuowany, a jego zakres rozszerzył się, ponieważ pojawiły się nowe pytania w biologii ewolucyjnej, które można wykorzystać do rozwiązania, w miarę jak ewolucja populacji przedstawiała nowe zjawiska do zbadania, a także w miarę postępu technologii i technik metodologicznych.

Wykorzystanie E. coli jako organizmu doświadczalnego pozwoliło na zbadanie wielu pokoleń i dużych populacji w stosunkowo krótkim czasie. Co więcej, 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, pozostając żywotnymi. Umożliwiło to stworzenie tego, co Lenski opisuje jako „zamrożony zapis kopalny” próbek ewoluujących populacji, które mogą zostać wskrzeszone w dowolnym momencie. Ten zamrożony zapis kopalny pozwala na ponowne uruchomienie populacji w przypadku skażenia lub innych zakłóceń w eksperymencie oraz pozwala na izolację i porównanie żywych egzemplarzy przodków i klonów ewolucyjnych. Lenski wybrał szczep E. coli , który rozmnaża się tylko bezpłciowo , nie ma żadnych plazmidów , które umożliwiałyby koniugację bakteryjną i nie ma żywotnego profagu . W konsekwencji ewolucja w eksperymencie zachodzi tylko poprzez podstawowe procesy ewolucyjne 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 minimalnej o ograniczonej zawartości glukozy zwanej DM25, która została pierwotnie opracowana przez Bernarda Davisa do stosowania w izolacji auksotroficznych mutantów E. coli przy użyciu penicyliny jako środka selektywnego. DM25 jest uzupełniony glukozą o niskim stężeniu. Lenski wybrał to stężenie, 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 stężenie użytej glukozy utrzymuje maksymalną populację 500 milionów komórek przodka w hodowli 10 ml, chociaż maksymalna obecnie 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 poprawił skuteczność zabijania penicyliny podczas jego eksperymentów, chociaż obecnie wiadomo, że pomaga w nabyciu E. coli żelaza z medium.

Metody

12 populacji utrzymuje się 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 z każdej populacji zamraża się glicerolem jako krioprotektantem w odstępach co 500 generacji (75 dni). Bakterie w tych próbkach pozostają żywe i można je w każdej chwili odrodzić. Ten zbiór próbek jest określany jako „zamrożony zapis kopalny” i zapewnia historię ewolucji każdej populacji przez cały eksperyment. Populacje są również regularnie badane pod kątem zmian w średniej sprawności , a dodatkowe eksperymenty są regularnie przeprowadzane w celu zbadania interesujących zmian w populacjach. Od kwietnia 2016 r. populacje E. coli były badane przez ponad 64 500 pokoleń i uważa się, że przeszły wystarczającą liczbę spontanicznych mutacji, aby każda możliwa pojedyncza mutacja punktowa w genomie E. coli wystąpiła wielokrotnie.

Szczep założycielski

Szczep E. coli Lenski wybrany do użycia w długoterminowym eksperymencie ewolucji pochodził ze „szczepu Bc251”, jak opisano w artykule Seymoura Lederberga z 1966 roku, za pośrednictwem Bruce'a Levina, który użył go w eksperymencie bakteryjnym w 1972 roku Definiujące cechy genetyczne tego szczepu to: T6 r , Str r , r − m − , Ara − (niezdolny do wzrostu na arabinozie ). Lenski oznaczył pierwotny szczep założycielski jako REL606. Przed rozpoczęciem eksperymentu Lenski izolowana jest Ara + wariant szczepu, w którym mutacja punktowa w ara operon miał przywrócić wzrost na arabinozy, którą oznaczono go jako szczep REL607. Rozpoczynając długoterminowy eksperyment ewolucji, Lenski założył sześć populacji z sześcioma pojedynczymi koloniami Ara − REL606. Populacje te są określane jako Ara-1 do Ara-6. Lenski założył również sześć kolejnych populacji z sześciu pojedynczych kolonii Ara + REL607. Nazywa się je populacjami Ara+1 do Ara+6. Różnice w markerach pozwalają na różnicowanie szczepów na płytkach Tetrazolium Arabinose, na których kolonie Ara − są czerwone, a kolonie Ara + białe do różowych. W trakcie eksperymentu każda populacja zgromadziła dużą liczbę odrębnych mutacji, które pozwalają na dalsze sposoby identyfikacji szczepów według ich populacji pochodzenia.

Wyniki

Zmiany w kondycji

Oś czasu długoterminowego eksperymentu ewolucji E. coli , pokazujący 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 ich szczepu przodków. Wszystkie populacje wykazywały wzorzec szybkiego wzrostu względnej sprawności we wczesnych pokoleniach, przy czym wzrost ten zmniejszał się z czasem. Przez 20 000 pokoleń populacje rosły o około 70% szybciej niż szczep przodków. Ten wzrost i spowolnienie wzrostu trwało w kolejnych pokoleniach. Badanie z 2013 roku przeprowadzone przez Wiser et al. odnotowali stałą poprawę przy 50 000 pokoleń w porównaniu z próbkami izolowanymi przy 40 000 pokoleń. Odkryli, że wzrost dopasowania pasuje do modelu prawa potęgowego znacznie lepiej niż modele hiperboliczne, które stosowano wcześniej. Ponieważ model prawa potęgowego opisuje coraz wolniejszy wzrost, który nie ma górnej granicy, podczas gdy model hiperboliczny implikuje twardą granicę, praca sugerowała, że ​​wzrost będzie trwał bez ograniczeń, ponieważ w populacjach utrwaliły się stopniowo niższe mutacje korzyści. W dalszych pracach opublikowanych w 2015 r. przedstawiono wyniki ponad 1100 nowych testów sprawnościowych, które badały zmiany sprawnościowe w ciągu 60 000 pokoleń. Dane ponownie pasują do proponowanego modelu prawa potęgowego, a nawet mieszczą się w przewidywaniach modelu z wcześniejszych danych. Wyniki te sugerują, że w przeciwieństwie do wcześniejszego myślenia, adaptacja i dywergencja adaptacyjna mogą potencjalnie narastać w nieskończoność, nawet w stałym środowisku.

Ewolucja genomu

Spośród 12 populacji, jak do tej pory doniesiono, że w sześciu rozwinęły się defekty w zdolności do naprawy DNA , co znacznie zwiększa tempo mutacji w tych szczepach. Chociaż uważa się, że bakterie w każdej populacji wytworzyły setki milionów mutacji w ciągu pierwszych 20 000 pokoleń, Lenski oszacował, że w tym czasie tylko 10 do 20 korzystnych mutacji osiągnęło utrwalenie w każdej populacji, z mniej niż 100 mutacjami punktowymi. (w tym mutacje neutralne ) osiągające fiksację w każdej populacji. W 2009 roku Barrick i in. przedstawił wyniki sekwencji genomu z wielu punktów czasowych w populacji Ara-1. Odkryli, że w przeciwieństwie do malejącego wskaźnika poprawy sprawności, akumulacja mutacji była liniowa i podobna do zegara, chociaż kilka linii dowodów sugerowało, że większość akumulacji była korzystna, a nie neutralna.

Ewolucja zwiększonego rozmiaru komórek we wszystkich dwunastu populacjach

Wzrost wielkości komórek bakterii w eksperymencie Lenskiego

Wszystkie dwanaście eksperymentalnych populacji wykazuje wzrost wielkości komórek jednocześnie ze spadkiem maksymalnej gęstości populacji, a w wielu populacjach bardziej zaokrąglony kształt komórek. Zmiana ta była częściowo wynikiem mutacji, która zmieniła ekspresję genu białka wiążącego penicylinę , co pozwoliło zmutowanym bakteriom na konkurowanie z bakteriami przodków w warunkach długofalowego eksperymentu ewolucji. 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 rozpadu niewykorzystanych funkcji metabolicznych po 20 000 pokoleń, ograniczając zakres substancji, na których bakterie mogły się rozwijać. Ich analiza sugerowała, że ​​rozkład ten był spowodowany antagonistyczną plejotropią , w której mutacje poprawiające zdolność do wzrostu na glukozie zmniejszyły lub wyeliminowały zdolność do wzrostu na innych substancjach. Późniejsze badania przeprowadzone przez Leiby'ego i Marksa, w których zastosowano bardziej zaawansowane techniki, wykazały, że duża część rozpadu zidentyfikowanego przez Coopera i Lenskiego to artefakty eksperymentalne, że utrata nieużywanych funkcji nie była tak rozległa, jak początkowo sądzono, oraz że niektóre nieużywane funkcje uległy poprawie. Co więcej, doszli do wniosku, że straty metaboliczne nie były spowodowane antagonistyczną plejotropią, ale neutralną akumulacją mutacji w niewykorzystanych częściach genomu, co sugeruje, że adaptacja do prostego środowiska niekoniecznie musi prowadzić do specjalizacji.

Ewolucja zrównoważonego polimorfizmu i prostych ekosystemów

Dwa różne warianty, S i L, zidentyfikowano w populacji oznaczonej jako Ara-2 w 18 000 pokoleń w oparciu o tworzenie odpowiednio małych i dużych kolonii. Klony typu S i L mogły ze sobą stabilnie współistnieć we wspólnej kulturze, co wskazuje, że zajmowały odrębne nisze w populacji. Zostało to zweryfikowane przez odkrycie, że typ L miał przewagę podczas wzrostu na glukozie, ale 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 należą do odrębnych, współistniejących linii w populacji i mogą podlegać początkowej specjacji.

Ewolucja wykorzystania cytrynianu tlenowego w jednej populacji

Tło

Populacja oznaczona Ara-3 (w środku) jest bardziej mętna, ponieważ populacja ta wyewoluowała w celu wykorzystania cytrynianu obecnego w pożywce wzrostowej.

E. coli normalnie nie jest w stanie rosnąć tlenowo na cytrynianie ze względu na niezdolność do ekspresji transportera cytrynianu w obecności tlenu. Jednak E. coli ma pełny cykl kwasu cytrynowego , dlatego też metabolizuje cytrynian jako produkt pośredni podczas aerobowego wzrostu na innych substancjach, w tym na glukozie. Większość E. coli może rosnąć w warunkach beztlenowych na cytrynianie poprzez fermentację , jeśli dostępny jest kosubstrat, taki jak glukoza, zapewniający moc redukującą. Beztlenowego wzrostu jest możliwe ze względu na ekspresję transbłonowego cytrynian, bursztynian antyportera genu CITT , który został po raz pierwszy w roku 1998. Ten gen jest częściowo regulowana innych genów biorących udział w fermentacji cytrynianu znaleźć w cit operonu, która jest włączona tylko wtedy, gdy brakuje tlenu.

Niezdolność do aerobowego wzrostu na cytrynianie, określana jako fenotyp Cit − , jest uważana za cechę charakterystyczną E. coli jako gatunku i jako cenną metodę różnicowania 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 wynika z obecności plazmidu, który przenosi obcy transporter cytrynianu. Hall w 1982 doniósł o pojedynczym, spontanicznym mutacji Cit + E. coli . 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 ​​podstawowa mutacja była złożona, ale ostatecznie nie był w stanie zidentyfikować dokładnych zmian lub zaangażowanych genów, co doprowadziło go do postawienia hipotezy o aktywacji ukrytego genu transportera. Regiony genomu, do których Hall był w stanie zawęzić lokalizacje zmian, nie odpowiadają znanej lokalizacji genu citT zidentyfikowanego 16 lat później, a cechy fizjologiczne w testach transportu mutantów Halla Cit + nie zgadzały się z oczekiwanymi do tlenowej ekspresji transportera CitT.

Cit + ewoluuje w LTEE

W 2008 roku zespół Lenskiego, kierowany przez Zachary'ego D. Blounta , poinformował, że zdolność do aerobowego wzrostu na cytrynianie wyewoluowała w jednej populacji. Około 33 127 pokolenia zaobserwowano dramatyczny wzrost zmętnienia w populacji oznaczonej Ara-3. Odkryli, że populacja zawierała klony zdolne do wzrostu tlenowego na cytrynianie (Cit + ). Ta zdolność metaboliczna pozwoliła populacji na kilkukrotnie większy wzrost niż wcześniej, ze względu na dużą ilość cytrynianu obecnego w pożywce. Badanie zamrożonych próbek kopalnych 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 izolowanych z próbek zamrożonych w różnych punktach czasowych w historii populacji, wykazali, że zdolność do wzrostu tlenowego na cytrynianie jest bardziej prawdopodobna do ponownej ewolucji w podzbiorze genetycznie czystych, wyewoluowanych klonów. W tych eksperymentach zaobserwowali 19 nowych, niezależnych przypadków reewolucji Cit + , ale tylko wtedy, gdy zaczynali od klonów izolowanych z pokolenia po 20 000. Testy fluktuacyjne wykazały, że klony z tego pokolenia i później wykazywały tempo mutacji 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 koledzy 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, idąc za argumentem Stephena Jaya Goulda , że „historyczna przygodność może mieć głęboki i trwały wpływ” na bieg ewolucji. Ustalenia te zaczęto uważać za znaczący przykład wpływu historycznej przygodności na ewolucję.

Analiza genomowa cechy Cit + i implikacje dla innowacji ewolucyjnych

Cecha Cit + została zaktualizowana przez mutację duplikacyjną, która stworzyła nowy moduł regulatorowy poprzez umieszczenie kopii genu citT kodującego 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 genomowej cechy Cit + , która rzuciła światło na podstawy genetyczne i historię ewolucyjną tej cechy. Naukowcy zsekwencjonowali całe genomy dwudziestu dziewięciu klonów wyizolowanych z różnych punktów czasowych w historii populacji Ara-3. Użyli tych sekwencji 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 stwierdzono jako wzmocnione, były rozmieszczone we wszystkich trzech kladach, ale były nadreprezentowane w klad 3. To doprowadziło naukowców do wniosku że istniały co najmniej dwie wzmacniające mutacje zaangażowane w ewolucję Cit + .

Naukowcy odkryli również, że wszystkie klony Cit + miały mutacje, w których zduplikowany lub zamplifikowany został 2933-parowy segment DNA. Powielony segment zawierał gen citT dla białka transportującego cytrynian stosowanego w beztlenowym wzroście na cytrynianie. Powielanie odbywa się w tandemie i skutkowało kopiami, które były względem siebie łeb w ogon. Ta nowa konfiguracja umieściła kopię poprzednio milczącego, nieeksprymowanego citT pod kontrolą sąsiedniego promotora genu rnk , który kieruje ekspresją w obecności tlenu. Ten nowy moduł rnk-citT wytworzył nowy wzorzec regulacji citT , aktywując ekspresję transportera cytrynianu w obecności tlenu, a tym samym umożliwił wzrost tlenowy na cytrynianie.

Ruch ten RNK-CITT moduł do genomu nasilanego Cit - klon okazał się wystarczający do uzyskania Cit + fenotyp. Jednak początkowy fenotyp Cit + nadany przez duplikację był bardzo słaby i zapewniał jedynie ~1% korzyści w zakresie sprawności. Naukowcy odkryli, że liczba kopii modułu rnk-citT musiała zostać zwiększona, aby wzmocnić cechę Cit + na tyle, aby umożliwić prawidłowy wzrost bakterii na cytrynianie. Dalsze mutacje po tym, jak bakterie Cit + stały się dominujące w populacji, nadal gromadziły ulepszony wzrost na cytrynianie.

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

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

Model ten zyskał akceptację w biologii ewolucyjnej. W 2015 r. paleontolog Douglas Erwin zasugerował modyfikację modelu czterostopniowego, aby lepiej odzwierciedlić możliwe rozróżnienie między nowością ewolucyjną a innowacją ewolucyjną oraz podkreślić znaczenie warunków środowiskowych: wzmacnianie, generowanie nowych fenotypów (aktualizacja), udoskonalanie adaptacyjne i eksploatacja (przekształcenie nowości w innowację, ponieważ staje się ona ważna dla ekologicznego zadomowienia się organizmów).

Badanie potencjonowania

W 2014 roku zespół badawczy kierowany przez Erica Quandta w laboratorium Jeffreya Barricka z University of Texas w Austin opisał zastosowanie nowej techniki o nazwie Recursive Genomewide Recombination and Sequencing (REGRES) w celu zidentyfikowania wzmacniających mutacji wśród 70 obecnych w Ara -3 rodowód, który wyewoluował Cit + . Metoda ta wykorzystywała wiele rund procesu, w którym sprzęganie oparte na plazmidzie F pomiędzy klonem Cit + 33.000 generacji , CZB154 i Cit - klonem założycielskim LTEE w celu usunięcia mutacji niewymaganych do manifestacji słabej lub silnej formy Cit + cecha, którą nazywają Cit ++ . Odkryli, że moduł rnk-citT odpowiedzialny za zmianę fenotypu na Cit + był wystarczający do wytworzenia słabego fenotypu Cit + u przodka. Zidentyfikowali również mutację, która wystąpiła w linii rodowej prowadzącej do CZB154 po początkowej ewolucji Cit +, która nadawała u przodka silny fenotyp Cit ++ bez żadnej mutacji poza modułem rnk-citT . Ta mutacja, znajdujące się w regionie regulatorowym genu zwanego DCTA , spowodowało znaczące zwiększenie ekspresji transportera DCTA , który działa w celu importowania C 4 -dicarboxylates do komórki. Stwierdzili, że ta zwiększona ekspresja DctA umożliwia komórkom Cit + ponowne wychwytywanie bursztynianu , jabłczanu i fumaranu uwalnianego do pożywki przez transporter CitT podczas importu cytrynianu. Zidentyfikowali podobną mutację w klonach Cit ++ w populacji Ara-3, która zwiększyła ekspresję DctA poprzez przywrócenie funkcji genu regulującego ją, dcuS , który został dezaktywowany w klonie przodków. Quandt i in. doszli do wniosku, że mutacja dctA nie była zaangażowana w wzmocnienie, ale udoskonalenie. To skłoniło ich do zasugerowania, że ​​ewolucja Cit + w populacji Ara-3 mogła zależeć od tła genetycznego i ekologii specyficznej dla danej populacji, które umożliwiły wczesne, słabe warianty Cit + utrzymywanie się w populacji wystarczająco długo, aby mogły powstać mutacje rafinowane. i sprawiają, że wzrost na cytrynianie jest wystarczająco silny, aby zapewnić znaczną poprawę kondycji.

Quandt i współpracownicy opublikowali później odkrycia ostatecznie identyfikujące mutację, która wzmogła ewolucję Cit + . Ta mutacja znajdowała się w gltA , który koduje syntazę cytrynianową , enzym biorący udział w przepływie węgla do cyklu kwasu cytrynowego . Miał wpływ na zwiększenie aktywności syntazy cytrynianowej i wykazali, że pozwala na lepszy wzrost na octanie . Co więcej, z mutacją gltA , moduł rnk-citT , który powoduje cechę Cit + , ma neutralny lub nieco korzystny wpływ na dostosowanie, podczas gdy bez niego moduł był silnie szkodliwy. GltA mutacja wydaje się zatem, aby pozwoliły wcześnie, słaby Cit + warianty utrzymują się w populacji, aż mogła wystąpić późniejsze mutacje rafinacja, zgodny z ich wcześniejszych wniosków. 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 cytrynianu. 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 opartą na wzroście na bazie octanu, oraz że mutacje wzmacniające, które doprowadziły do ​​ewolucji Cit + w Ara-3, były pierwotnie przystosowane do stosowania octanu.

Badanie ekologii post-Cit + i trwałej różnorodności

Niewielka subpopulacja komórek Cit − niezdolnych do wzrostu na cytrynianie i należących do odrębnego kladu utrzymywała się w populacji po dominacji komórek Cit + . Wczesne odkrycia wykazały, że ta różnorodność wynikała częściowo z tego , że komórki Cit − lepiej rosły na glukozie w pożywce. Turner i in. później odkryli, że innym czynnikiem stojącym za tym współistnieniem było to, że komórki Cit − wyewoluowały zdolność do krzyżowego żerowania na większości Cit + . Wykazali, że komórki Cit + uwalniają bursztynian , jabłczan i fumaran podczas wzrostu na cytrynianie, ponieważ transporter CitT wypompowuje te substancje z komórki, jednocześnie pompując cytrynian do komórki. Komórki Cit − szybko wyewoluowały zdolność do wzrostu na tych substancjach dzięki mutacji, która przywróciła ekspresję odpowiedniego białka transportowego, które u przodka było ciche.

Subpopulacja Cit − ostatecznie wyginęła w populacji między 43 500 a 44 000 pokoleń. Okazało się, 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 uruchomiono dwadzieścia powtórzeń populacji Ara-3 z próbki zamrożonej 500 pokoleń przed wyginięciem, Turner i in. odkryli, że subpopulacja Cit − nie wyginęła w żadnym z powtórzeń po 500 pokoleniach ewolucji. Jedna z tych replikacji była kontynuowana przez 2500 pokoleń, w ciągu których Cit − nadal współistniał. Naukowcy doszli do wniosku, że wyginięcie Cit − było spowodowane pewnymi nieznanymi „rzadkimi zaburzeniami środowiskowymi”, podobnymi do tych, które mogą mieć wpływ na naturalne populacje. Ostateczna replika została zintegrowana z głównym eksperymentem LTEE, stając się trzynastą populacją, Ara-7.

Różne interpretacje ustaleń

Inni badacze eksperymentowali z ewolucją bakterii E. coli wykorzystujących cytrynian tlenowy . Dustin Van Hofwegen i in. byli w stanie wyizolować 46 niezależnych mutantów E. coli wykorzystujących cytrynian w ciągu zaledwie 12 do 100 pokoleń, stosując wysoce przedłużoną selekcję w warunkach głodu, podczas której bakterie szybciej pobierałyby próbki większej liczby mutacji. W ich badaniach sekwencjonowanie genomowego DNA ujawniło amplifikację loci citT i dctA , a rearanżacje DNA były tą samą klasą mutacji zidentyfikowanych w eksperymencie Richarda Lenskiego i jego zespołu. Doszli do wniosku, że rzadkość występowania mutanta wykorzystującego cytrynian w badaniach Lenskiego była prawdopodobnie wynikiem selektywnych warunków eksperymentalnych stosowanych przez jego zespół, a nie była unikalnym wydarzeniem ewolucyjnym specjacji.

John Roth i Sophie Maisnier-Patin dokonali przeglądu podejść zarówno do opóźnionych mutacji zespołu Lenski, jak i szybkich mutacji zespołu Van Hofwegen na E. coli . Twierdzą, że oba zespoły zaobserwowały tę samą sekwencję wzmacniania, aktualizacji i udoskonalania, prowadzącą do podobnych wariantów Cit + . Według nich, okres Lenski krótszy niż jeden dzień, podczas którego użycie cytrynianu będzie podlegać selekcji, po którym nastąpi 100-krotne rozcieńczenie i okres wzrostu na glukozie, który nie selekcjonuje do 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 umożliwił ciągłą selekcję trwającą 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 cytrynianu w warunkach LTEE nieustannie utrudniały każdemu pokoleniu E. coli osiągnięcie kolejnych etapów tlenowego wykorzystania cytrynianu.

Lenski twierdzi, że problem nie tkwi w eksperymentach lub danych, ale w interpretacjach 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 z powtórkami. Twierdzi, że LTEE nie została zaprojektowana 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

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki