Эволюционный эксперимент показал, где и как появляются наиболее приспособленные особи

Так выглядит полигон для эволюции E. coli, где можно день за днем наблюдать, как продвигается  — буквально — адаптация у бактерий. Фото с сайта zmescience.com

Микробиологи из США и Израиля предложили методику изучения пространственно-временных закономерностей эволюции. В качестве эволюционного полигона для бактерий они использовали метровую площадку с резко различными условиями. Они показали, что на границах участков идет быстрая адаптация, причем доминируют быстрорастущие линии, вне зависимости от качества их адаптивного комплекса. Позже формируются организмы с более сбалансированным набором свойств, они лучше приспособлены и устойчивы к стрессам. Так как в работе делался акцент на выработку устойчивости к антибиотику, то исследование приобретает видимую актуальность для медицины. В действительности выводы этой работы перспективны и для более широкого круга эволюционных задач.

Устойчивый словесный штамп «история с географией» в обиходной жизни мало осмыслен — это всего лишь намек на некие сложные обстоятельства. Для эволюциониста это словосочетание, напротив, отражает существо дела: эволюция — это история, развернутая в пространстве. Не бывает одного без другого, пространство без истории мертво, а история, если происходит, то обязательно где-то. Поэтому изучение эволюции, в том числе и в лабораторных моделях, по-хорошему должно учитывать и время, и место.

Но если эволюционный эксперимент, протяженный во времени, организовать еще можно (см. В долгосрочном эволюционном эксперименте выявлен отбор на «эволюционную перспективность, «Элементы», 25.03.2011), то присовокупить к этому пространственную компоненту чрезвычайно трудно. Каждый модельный организм требует для имитации естественных процессов довольно внушительную площадь, включающую, подобно природной обстановке, различные по свойствам участки. Устроить такую эволюционную арену — задача хитроумная. К этой задаче обратились микробиологи из Гарвардской медицинской школы и Израильского технологического института в Хайфе. Устроив такую арену для изучения пространственно-временной эволюции E. coli, они немедленно получили несколько засуживающих обсуждения результатов.

Для начала вот описание этой арены (ее назвали MEGA-плейт: microbial evolution and growth arena). Это пластина черного цвета, размером 120 × 60 см (обращаю внимание на масштаб эволюционного полигона по сравнению с самими модельными организмами). На пластине плотная среда поделена на прямоугольные области с разной концентрацией антибиотика; концентрация антибиотика увеличивается от краев к центру. Сверху, на плотном слое с антибиотиком, тонкий полужидкий слой агара, в котором бактерии могут двигаться и расти. Клетки засевают с двух сторон с краев, где концентрация антибиотика мала и позволяет бактериям расти. Израсходовав локально питательные вещества, колонии должны расти по направлению к центру и, следовательно, переходить на участки со всё более высокой концентрацией антибиотика. Задача колоний — по мере роста вырабатывать всё лучшую и более надежную резистентность к антибиотику.

Таким образом, возможно имитировать сразу несколько эволюционных факторов: пространство среды с резкими границами условий (в природе так и бывает), высокую численность популяций (в небольших лабораторных популяциях ход эволюции имеет свою специфику), конкуренцию между несколькими дочерними линиями (необходимое условие для естественного отбора). И весь процесс, к тому же, можно снять на камеру, так как белые колонии превосходно видны на черном фоне.

Эволюционный полигон для E. coli: прямоугольная пластина, покрытая черной плотной средой, поверх нее — прозрачный полужидкий слой агара. Черный слой поделен на полосы, в которых скачком увеличивается концентрация антибиотика, от одной полосы к другой от условного нуля (максимально допустимой для роста исходной концентрации — MIС, minimum inhibitory concentration), минуя полосы с промежуточными величинами, до концентрации, превышающей исходную в 3000 раз. Белыми кружочками (Inoculate E. coli) обозначены места начального посева E. coli. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Первейшая задача, которую ставили исследователи, — это изучить процесс выработки устойчивости к антибиотику в реальном времени и масштабе в большой популяции; посмотреть, какие мутации появляются в ходе этой адаптации и как они распределены, как влияют скачки в градиентах на возможность и время адаптации. Пример роста клеток можно увидеть на видео, которое снималось в течение 11 дней эксперимента. Бактерии начинают расти, быстро заполняют первый участок с нулевой концентрацией антибиотика, затем на границе рост приостанавливается, пока на пограничном фронте не появляется прорыв — рост успешного мутанта. Его потомки быстро захватывают территории в новой области, их догоняют другие мутанты, которые справились с задачей чуть позже, и между ними идет конкуренция за территорию с питательными ресурсами. Затем колонии снова достигают границы концентраций антибиотика и процесс начинается заново.

Меняя концентрации антибиотика на соседних участках, ученые выяснили, что существует предел в разнице концентраций, который бактерии могут преодолеть. Если градиент слишком высок, то бактерии не растут дальше, хотя при ступенчатом переходе к столь же высокому содержанию антибиотика бактерии прекрасно приспосабливаются. Дело тут в устройстве самих границ. Это всё же не жесткая линия, а узкая полоска, в пределах которой за счет диффузии концентрация антибиотика меняется постепенно. В этой полоске появляются мутанты, которые хоть и плохо, но могут выжить в смертельных для других условиях. Они дают начало более приспособленным потомкам. Это можно проследить на видео, на котором видно, как по границам концентраций образуются прорывы клеточного роста, которые затем дают начало быстрорастущим линиям, заполняющим новый прямоугольный участок (на этом видео слева направо концентрации антибиотика такие: 3000-300-0-30-3000-3-0-0-3000; рост идет в нескольких направлениях; в правом верхнем углу на 50-й секунде виден занос высокоприспособленной линии на участок с максимальной концентрацией антибиотика).

Рост колоний E. coli через границы концентраций антибиотика ципрофлоксацина; рост идет в направлении от нулевой концентрации (справа) к наивысшей (слева). Фиолетовыми цифрами показаны места, где были выбраны изоляты хорошо растущих «тыловых» колоний , а синяя буква F — изолят авангардной линии. Их всех пересадили на участок с удесятеренной концентрацией антибиотика. Стали расти только хорошо адаптированные «тыловые» линии. Фото из обсуждаемой статьи в Science

Еще более содержательную картину показало изучение мутаций у изолятов из различных участков арены. Выявились линии с высоким числом мутаций (больше 60), и у них у всех обязательно имелась мутация в ДНК-полимеразе III, которая отвечает за точность копирования ДНК. Иными словами, распространялась мутация, повышающая скорость мутирования. Мутации в этом гене появлялись независимо, меняя разные нуклеотиды. Линии с мутатором росли, как правило, быстрее всех и скоро заполняли пространство. Но, как это ни удивительно, не они оказывались самыми устойчивыми и приспособленными.

Самыми устойчивыми и приспособленными были линии, формирующиеся позади переднего фронта, у которых мутатора не было. Их приспособленность определялась немногочисленными мутациями в белок-кодирующих генах. Они вначале проигрывали конкурентам с мутаторами из-за того, что у них была снижена скорость роста. Действительно, невозможно сразу хорошо сформировать какой-то признак без негативного побочного эффекта в другом признаке. В данном случае страдала скорость деления и роста колоний. В результате такие колонии оказывались окруженными быстрорастущими линиями и не имели возможности прорваться в авангард. Но постепенно они наращивали скорость деления и стрессоустойчивость, обладая уже при этом самой высокой резистентностью к антибиотику. Если этих скрытых лидеров пересадить вперед, на новый участок даже с наивысшей концентрацией антибиотика, они всё равно будут расти, а обладатели беспорядочных многочисленных мутаций с передовой — не вырастут. Эти скрытые лидеры, формирующие адаптации в тылу передовых конкурентов, и есть наиболее опасная часть болезнетворной популяции микробов.

Общая схема пространственно-временных изменений в условиях резко неоднородной среды выглядит следующим образом. Начальные поселенцы быстро колонизируют доступное пространство с ресурсами и в результате оказываются на границе с неблагоприятными условиями. Эта граница относительно размыта, поэтому некоторые особи с мутациями в принципе могут выжить в новых условиях. Их потомки, у которых увеличена скорость мутирования, быстро приобретают нужные свойства, позволяющие заселить новые пространства, обогнав конкурентов и завладев ресурсами. Тем не менее постепенно формируются и другие линии, у которых новый признак лучше отрегулирован. Кроме того, у них выше стрессоустойчивость. Эти линии не доминируют по численности, но способны в принципе выдерживать больший диапазон неблагоприятных воздействий.

Сравнение скорости роста колоний из «авангардных» (голубой цвет) позиций и из «тыловых» (фиолетовый); выделено два отдельных примера. Голубые линии достигают высоких показателей роста быстрее, но через некоторое время фиолетовые линии их догоняют. За это время «тыловые» линии приобретают мутации, компенсирующие дефицит роста и повышающие стрессоустойчивость. Конечные показатели темпа роста у них сходные. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

Авторы работы указывали на актуальность своего исследования в связи с необходимостью понимать механизмы работы антибиотиков, наиболее мощного на сегодняшний день лекарственного арсенала, а также в связи с возможностью изучить механизмы эволюции. Если первый аспект не вызывает сомнений, то второй хотелось бы пояснить.

Хорошо известно, что становление таксонов уровня семейств, отрядов, классов, как правило, подразделяется на два этапа  — инадаптивный и эвадаптивный (см. А. П. Расницын, 1986. Инадаптация и эвадаптация). На первом этапе появляются многочисленные виды, обладающие несбалансированным комплексом признаков (инадаптивный этап), затем их замещают виды, лучше приспособленные, более долгоживущие (устойчивые) и широко распространенные (эвадаптивный этап).

Очевидные аналогии с пространственно-временным экспериментом на бактериях заставят задуматься эволюционистов. Линии с мутаторами подобны короткоживущим видам с плохо смонтированной морфологией, скрытые лидеры — прародителям эвадаптивных таксонов. Эти последние нередко зарождаются вместе инадаптивными, но существуют в их доминантном окружении. При наступлении кризисного времени (оледенения, времени мощных вулканических извержений и т. д.) очевидное преимущество получают более приспособленные и стрессоустойчивые организмы, занимая доминирующее положение.

Какую роль в эволюции крупных групп играют их ареалы, где идет становление родоначальников крупных групп — на границах или внутри ареалов, какими должны быть градиенты условий для смены одних групп другими — все эти вопросы можно рассматривать, имея подсказку в виде бактерий на MEGA-плейт. И это очень вдохновляет.

Источник: Michael Baym, Tami D. Lieberman, Eric D. Kelsic, Remy Chait, Rotem Gross, Idan Yelin, Roy Kishony. Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes // Science. 2016. V. 353. P. 1147–1151.

Елена Наймарк