Эволюция может быть не такой случайной, как считалось ранее

Теория эволюции путем естественного отбора обоснована и хорошо доказана, но это не значит, что мы не узнаем ничего нового о том, как развивается и изменяется жизнь с течением времени. Новое исследование показывает, что эволюция может быть не такой непредсказуемой, как считалось ранее. Последствия этого могут открыть путь к новым способам решения реальных проблем, включая устойчивость к антибиотикам, болезни и даже изменение климата.

Исследование ставит под сомнение давно устоявшееся мнение о том, что эволюция — непредсказуемый процесс. Согласно исследованию, эволюционная траектория генома может зависеть от его эволюционного прошлого, а не определяться множеством факторов и исторических случайностей.

«Последствия этого исследования можно назвать революционными», — пояснил в своем заявлении профессор Джеймс Макинерни из Школы наук о жизни Ноттингемского университета. «Доказав, что эволюция не так случайна, как мы считали ранее, мы открыли дверь для многих возможностей в синтетической биологии, медицине и экологии».

Макинерни и его коллеги проанализировали пангеном — набор всех последовательностей ДНК данного вида, которые содержат последовательности, общие для всех людей, — чтобы ответить на важнейший вопрос: может ли эволюционная история генома определить его будущую траекторию?

Команда использовала метод машинного обучения, известный как Random Forest, с набором данных из 2500 полных геномов одного вида бактерий. На изучение этого вопроса они потратили несколько сотен тысяч часов компьютерной обработки.

Загрузив данные в компьютер, они смогли создать «семейства генов» из каждого гена в каждом геноме.

«Таким образом, мы смогли сравнить похожие геномы», — добавила Мария Роза Доминго-Сананес из Ноттингемского университета Трента.

Когда семейства были определены, стало возможным изучить, как они присутствуют в одних геномах и отсутствуют в других.

«Мы обнаружили, что некоторые семейства генов никогда не появляются в геноме, если там уже присутствует другое семейство генов, а в других случаях некоторые гены очень зависят от присутствия другого семейства генов».

По сути, исследование выявило «невидимую экосистему» генов, которые взаимодействуют или конкурируют друг с другом.

«Эти взаимодействия между генами делают некоторые аспекты эволюции в какой-то степени предсказуемыми, и более того, теперь у нас есть инструменты для таких предсказаний», — добавил доктор Доминго-Сананес.

Доктор Алан Беван, также представляющий Школу естественных наук Ноттингемского университета, сказал: «Основываясь на этой работе, мы можем начать узнавать, какие гены «поддерживают», например, ген устойчивости к антибиотикам. Таким образом, если мы пытаемся устранить устойчивость к антибиотикам, мы можем воздействовать не только на очаговый ген, но и на гены, которые его поддерживают».

Этот подход можно использовать для синтеза новых генетических конструкций, «которые могут быть использованы для разработки новых лекарств или вакцин». То, что мы знаем сейчас, открывает путь ко многим новым открытиям», — добавил Беван.

Последствия этого огромны и могут привести к созданию новых геномов, с помощью которых ученые смогут создавать синтетические геномы и разрабатывать планы по манипулированию генетическим материалом предсказуемым образом. Они также могут помочь ученым справиться с ростом устойчивости к антибиотикам, помогая нам понять взаимосвязь между генами и разработать целевые методы лечения.

Полученные результаты также могут повлиять на создание микроорганизмов, предназначенных для улавливания углерода или разложения загрязняющих веществ, что поможет нам бороться с изменением климата.

Исследование опубликовано в журнале PNAS.