Нове відкриття в галузі еволюції називають «не інакше як революційним»

Еволюція завжди розглядалася як складний, випадковий і непередбачуваний процес, який формує життя на Землі у спосіб, який ми навряд чи могли передбачити. Але що, якщо тут більше порядку, ніж хаосу? Саме це припускає команда вчених у новому дослідженні.

Це дослідження під керівництвом професора Джеймса Макінерні та доктора Алана Бівена зі Школи наук про життя Ноттінгемського університету натякає на те, що еволюція може бути не такою випадковою, як ми довго думали. Їх дослідження може мати великі наслідки для вирішення таких проблем, як стійкість до антибіотиків, хвороби та навіть зміна клімату.

Еволюція, гени та пангеном

Отже, про що це все? Команда проаналізувала пангеном — повний набір генів виду — щоб побачити, чи йде еволюція передбачуваним шляхом. Вони хотіли знати: чи є еволюція просто серією випадковостей, чи існує закономірність, на яку впливає історія геному?

Що таке пангеном?

Говорячи простою мовою, пангеном — це повний набір усіх генів, що знаходяться в межах виду. Він включає в себе кожен ген, присутній у всіх різних штамах або індивідуумах, охоплюючи як загальні гени, які є в усіх (основний геном), так і унікальні гени, виявлені лише в деяких (додатковий геном). Таким чином, незважаючи на те, що окремі представники можуть мати різний генетичний склад, пангеном представляє повне генетичне різноманіття виду.

Аналіз пангенома дозволяє дослідникам визначити, які гени необхідні для виживання, а які мають певні переваги, відкриваючи можливості для нових медичних і екологічних застосувань.

Потрібна велика обчислювальна потужність

Команда використала підхід машинного навчання під назвою «Випадковий ліс», щоб просіяти величезний набір даних із 2500 повних геномів одного виду бактерій. Алгоритми машинного навчання, подібні до цього, чудово знаходять шаблони, які можуть бути надто складними чи непомітними, щоб люди могли їх виявити самостійно. Це була не швидка робота — вона зайняла кілька сотень тисяч годин комп’ютерної обробки.

Еволюція та «генні родини»

Спочатку вони створили «сімейства генів» з кожного гена в кожному геномі. «Таким чином ми могли б порівнювати схоже з подібним між геномами», — пояснила доктор Марія Роза Домінго-Сананес з Ноттінгемського Трентського університету. Після того, як вони відсортували ці родини, вони зосередилися на генах і сімействах генів усередині геномів.

«Ми виявили, що деякі сімейства генів ніколи не з’являлися в геномі, коли конкретне інше сімейство генів уже було», — сказав доктор Домінго-Сананес. «І в інших випадках деякі гени дуже залежали від присутності іншого генного сімейства».

Екосистема прихованих генів, що рухає еволюцію

Іншими словами, вони виявили невидиму екосистему, де гени або ладнають, або конфліктують один з одним, роблячи еволюцію непередбачуваною.

«Ці взаємодії між генами роблять аспекти еволюції певною мірою передбачуваними, і, крім того, ми тепер маємо інструмент, який дозволяє нам робити такі прогнози», — додав доктор Домінго-Сананес.

Зміна парадигми

Професор Макінерні, провідний автор дослідження, м’яко кажучи, в захваті від можливостей.

«Наслідки цього дослідження не що інше, як революційні», — сказав він. «Демонструючи, що еволюція не така випадкова, як ми колись думали, ми відкрили двері для низки можливостей у синтетичній біології, медицині та науці про навколишнє середовище».

Реальні програми

Ці дослідження спрямовані не лише на розуміння еволюції заради цікавості. Це має реальні наслідки, які можуть суттєво вплинути на наше життя. Але як це може вплинути на нас практично?

«Завдяки цій роботі ми можемо почати досліджувати, які гени «підтримують» ген стійкості до антибіотиків, наприклад», — пояснив доктор Бівен. «Тому, якщо ми намагаємося усунути резистентність до антибіотиків, ми можемо націлитися не лише на фокальний ген, але ми також можемо націлитися на його допоміжні гени».

Боротьба зі стійкістю до антибіотиків

Цей підхід може кардинально змінити правила боротьби з бактеріями, стійкими до антибіотиків. Розуміючи мережу генів, які працюють разом, вчені можуть розробити більш ефективні методи лікування.

«Ми можемо використати цей підхід для синтезу нових видів генетичних конструкцій, які можна використовувати для розробки нових ліків або вакцин», — продовжив доктор Біван. «Знання того, що ми знаємо зараз, відкрило двері для цілого ряду інших відкриттів».

Наслідки зміни клімату

Результати дослідження також можуть допомогти в боротьбі зі зміною клімату. Створюючи мікроорганізми, здатні вловлювати вуглець або розщеплювати забруднюючі речовини, ми могли б розробити нові інструменти для зменшення нашого впливу на навколишнє середовище.

Розвиток персоналізованої медицини

Передбачуваність взаємодії генів також може революціонізувати персоналізовану медицину. Уявіть собі, що лікарі можуть передбачити, як хвороба може прогресувати у вашому організмі на основі вашої генетичної структури, або які методи лікування будуть для вас найефективнішими. Це дослідження може наблизити нас на крок до цієї реальності.

Еволюція, маніпуляції генами та майбутнє

Підводячи підсумок, можна сказати, що це нове дослідження змінює наше уявлення про еволюцію. Замість того, щоб розглядати це як серію випадкових подій, дослідження припускає, що існує певний рівень передбачуваності, який залежить від родин генів і генетичної історії.

Це, очевидно, дуже велика справа з багатьох інших причин, окрім того факту, що воно перевертає все, що ми думали, що знали про еволюцію відтоді, як Чарльз Дарвін увірвався на сцену.

Це відкриття означає, що ми можемо передбачати і навіть керувати еволюційними змінами так, як ми ніколи не вважали можливим.

Практичні застосування величезні. Від розробки нових стратегій для боротьби зі стійкістю до антибіотиків до створення організмів, які можуть допомогти боротися зі зміною клімату, можливості захоплюючі. Ідея про те, що ми можемо націлюватися не лише на шкідливі гени, але й на їх «підтримку», відкриває нові шляхи в медицині та науці про навколишнє середовище.

Загалом, це дослідження спонукає нас переглянути деякі фундаментальні припущення про життя та еволюцію. Це вже не просто випадковість; є закономірність і порядок, до яких ми можемо доторкнутися.

Коли ми дізнаємося більше, хто знає, які ще двері можуть відкритися? Настав захоплюючий час бути живим і захоплюючий час бути вченим. Повний текст дослідження було опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.