Бактерии обычно клонируют себя для воспроизводства, но также известно, что они обмениваются ДНК. Клетка донорской бактерии может передавать гены в клетку-реципиент в процессе, называемом латеральным переносом генов, который может происходить с помощью трех механизмов: трансдукции, конъюгации и трансформации.
Исследовательская группа считает, что этот обмен ДНК (и, в частности, трансформация) иногда может регулироваться половым отбором.
«Трансформация и другие формы переноса ДНК широко распространены почти во всех типах бактерий и имеют огромное влияние на их эволюцию. Например, бактерии могут принимать гены устойчивости к антибиотикам от других штаммов и видов, что имеет серьезные последствия для здоровья человека », – говорит первый автор книги Мишель Вос, микробиолог из Университета Эксетера. "Итак, важно попытаться понять, почему они эволюционировали, чтобы высвободить и принять ДНК."
В процессе трансформации донорская клетка высвобождает свою ДНК в окружающую среду, либо активно откачивая ее из клетки, либо просто разрывая и разливая ее содержимое. Затем клетка-реципиент может взять свободно плавающую ДНК и включить ее в свой собственный геном. Когда реципиентная клетка позже клонирует себя, она размножает геном, который в основном является собственной ДНК, но имеет фрагменты донорской ДНК.
У ученых есть несколько теорий, объясняющих, почему бактерии делают это.
Некоторые фокусируются на естественном отборе и на том, как новая донорская ДНК способствует выживанию клеток. Другие утверждают, что трансформация связана не с естественным отбором, а с другими функциями, такими как использование ДНК из окружающей среды в качестве пищи или для восстановления, и что генетическое смешение – всего лишь случайный побочный продукт. Вос и его коллеги считают, что, хотя естественный отбор должен воздействовать на высвобождение и поглощение ДНК, половой отбор может иметь дополнительные преимущества.
«Одна аналогия, которую мы провели, которая будет для некоторых спорной, – это между высвобождением и поглощением ДНК как мужской и женской функциями, соответственно, – говорит Вос. "Женские и мужские функции определяются размером гамет – большие яйца или маленькие сперматозоиды – и, конечно же, у бактерий нет гамет."
Но Вос и его коллеги видят несколько проверяемых аналогий между трансформацией у бактерий и половым отбором у других организмов. Например, бактерии вкладывают энергию в высвобождение ДНК, а животные-самцы вкладывают энергию в создание большого количества сперматозоидов – то же самое для дорогостоящего поглощения и воспроизводства ДНК, а также вкладывают энергию в создание яйцеклетки, из которой только половина генетического материала происходит от матери. В будущих исследованиях можно будет изучить, сколько энергии различные виды бактерий вкладывают в трансформацию, какие бактерии передают больше своей ДНК и что дало этим бактериям преимущество.
Половой отбор иногда может приводить к принуждению, когда (обычно) самцы развивают наступательную тактику, чтобы принудить самок к спариванию. Это, в свою очередь, приводит к тому, что самки становятся устойчивыми к принуждению. У бактерий принуждение может принимать форму испускания химических сигналов, которые заставляют другие бактерии захватывать ДНК.
В другом возможном примере полового отбора недавние исследования показали, что некоторые виды бактерий поглощают ДНК после выборочного лизирования (разрыва) неродственных штаммов, что, как можно ожидать, увеличивает шансы захвата новых адаптивных генов из разорванных клеток.
«Мы считаем, что секс по принуждению может происходить и у бактерий», – говорит Вос.
Ученые из Эксетера сейчас планируют эксперименты, чтобы проверить эти идеи.
Примерно у двух десятков видов бактерий, которые служат модельными системами для трансформации, существует большое разнообразие генетических механизмов и экологических сигналов, контролирующих поглощение и высвобождение ДНК. Вероятно, это разнообразие гораздо больше у миллионов видов бактерий, которые еще предстоит описать.
Авторы надеются, что в будущих исследованиях бактериального обмена генами будет учтена теория полового отбора, разработанная в контексте животных.