Как возникают и развиваются новые гены и функциональные белки? Это один из самых фундаментальных вопросов эволюционной биологии. Было предложено два различных типа механизма: (1) новые гены с новыми функциями возникают из существующих генов, и (2) новые гены и белки развиваются из случайных последовательностей ДНК, не имеющих сходства с существующими генами и белками. В настоящем исследовании исследователи исследовали последний тип механизма: эволюцию новых генов и белков из рандомизированных последовательностей ДНК – de novo evolution, как это называется.
Довольно легко понять, что когда ген уже существует, он может быть изменен и приобретет новую функцию. Но как «ничто» превращается в функцию, дающую небольшое преимущество, которому способствует естественный отбор??
Исходным материалом для эксперимента была большая библиотека из примерно 500 миллионов рандомизированных последовательностей генов, из которых были идентифицированы пептидные последовательности с биологической функцией.
В эксперименте случайные последовательности генов помещали на плазмиду и сверхэкспрессировали. Затем ученые исследовали, могут ли они придать бактериям определенное, определенное свойство. Могли ли они, например, придать бактериям устойчивость к антибиотикам??
Они идентифицировали несколько коротких пептидов (длиной 22-25 аминокислот), которые могут придать бактериям высокую степень устойчивости к аминогликозидам, важному классу антибиотиков, используемых при тяжелых инфекциях.
«Когда проект стартовал, у нас были низкие ожидания.
Мы были поражены, когда обнаружили пептиды, способные повышать уровень резистентности в 48 раз », – говорит доктор Майкл Кнопп, ведущий автор исследования.
С помощью комбинации генетических и функциональных экспериментов ученые смогли продемонстрировать, что пептиды вызывают резистентность, прикрепляясь к мембранам бактериальных клеток и влияя на протонный потенциал через мембрану. Нарушение протонного потенциала вызывает снижение поглощения антибиотиков, делая бактерии устойчивыми.
«Это исследование важно, потому что оно показывает, что полностью случайные последовательности аминокислот могут вызывать новые полезные функции, и что этот процесс эволюции de novo можно экспериментально изучить в лаборатории», – говорит Дэн И. Андерссон, профессор медицинской бактериологии, ответственный за исследование.