Эволюция может быть не столь случайной, как считалось ранее

Новое исследование ставит под сомнение давнюю идею о том, что эволюция всегда случайна, и это может иметь огромное значение для решения жизненно важных проблем.

Теория эволюции путем естественного отбора надежна 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 показало, 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 давнее мнение о том, что эволюция - это непредсказуемый процесс. Согласно результатам исследования, эволюционная траектория генома может зависеть от его эволюционного прошлого, а не определяться множеством факторов и исторических случайностей.

"Последствия этого исследования не что иное, как революционные", - пояснил в своем заявлении профессор Джеймс Макинерни из Школы наук о жизни Ноттингемского университета. "Доказав, что эволюция не так случайна, как мы думали раньше, мы открыли двери для множества возможностей в синтетической биологии, медицине и экологии".

Макинерни и его коллеги проанализировали пангеном - коллекцию всех последовательностей ДНК данного вида, содержащую последовательности, общие для всех особей, - 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 2 500 полных геномов одного вида бактерий. Для изучения этого вопроса они провели несколько сотен тысяч часов компьютерной обработки.

Загрузив данные в компьютер, они смогли создать "генные семейства" из каждого гена в каждом геноме.

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

После того как семейства были определены, можно было изучить, как они присутствуют в одних геномах и отсутствуют в других.

"Мы обнаружили, что некоторые семейства генов никогда не появлялись в геноме, если там уже присутствовало другое семейство генов, а в других случаях некоторые гены очень сильно зависели от присутствия другого семейства генов".

По сути, исследование выявило "невидимую экосистему" генов, которые сотрудничают или конкурируют друг с другом.

"Эти взаимодействия между генами делают некоторые аспекты эволюции в определенной степени предсказуемыми, более того, теперь у нас есть инструмент, позволяющий делать такие предсказания", - добавил доктор Доминго-Сананес.

По словам доктора Алана Бивана, также представляющего Школу наук о жизни Ноттингемского университета, "на основе этой работы мы можем начать изучать, какие гены "поддерживают", например, ген устойчивости к антибиотикам. Таким образом, если мы пытаемся устранить устойчивость к антибиотикам, мы можем нацелиться не только на очаговый ген, но и на поддерживающие его гены".

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 двери для множества других открытий, - добавил Биван.

Последствия огромны и могут привести к созданию новых геномов, с помощью которых ученые смогут проектировать синтетические геномы, а также разрабатывать дорожные карты для предсказуемых манипуляций с генетическим материалом. Они также могут помочь ученым бороться с ростом устойчивости организмов к антибиотикам, помогая нам понять зависимости между генами и создать целевые методы лечения.

Кроме того, полученные результаты могут повлиять на дизайн микроорганизмов, предназначенных для улавливания углерода или разложения загрязнений, что поможет нам бороться с изменением климата.

Исследование опубликовано в журнале PNAS.