Wyścig zbrojeń między bakteriami i wirusami zapewnia rzadkie okno na szybką i złożoną ewolucję

Według koncepcji Karola Darwina z XIX wieku ewolucja jest powolnym i stopniowym procesem, podczas którego adaptacje gatunków są stopniowo dziedziczone z pokolenia na pokolenie. Jednak dzisiejsi biolodzy mogą zobaczyć, jak zmiany ewolucyjne rozwijają się w bardziej przyspieszonych skalach czasowych.

Zamiast sugestywnych roślin i zwierząt z Wysp Galapagos, które Darwin badał, kształtując swoją teorię ewolucji, badacz ze stopniem doktora Joshua Bohren i profesor nadzwyczajny Justin Mayer ze Szkoły Nauk Biologicznych Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego dokumentują szybkie procesy ewolucyjne w prostych kolbach laboratoryjnych.

Bohren i Mayer umieścili bakterie i wirusy w zamkniętej zlewce laboratoryjnej wielkości zaledwie dwóch łyżeczek, aby zbadać koewolucję w działaniu. Kiedy wirusy infekują swoich bakteryjnych sąsiadów, bakterie opracowują nowe środki obronne, aby odeprzeć ataki. Wirusy następnie napotykają te modyfikacje wraz z własnymi zmianami ewolucyjnymi, które wykorzystują nowe środki obronne.

W ciągu zaledwie trzech tygodni przyspieszający wyścig zbrojeń między bakteriami (E. coli) a wirusami (bakteriofagi) doprowadził do adaptacji ewolucyjnych kilku pokoleń. Nowe odkrycia, opublikowane w czasopiśmie Science, ujawniają pojawienie się odrębnych wzorców ewolucyjnych.

„W tym badaniu pokazujemy siłę ewolucji” – powiedział Mayer, profesor nadzwyczajny na Wydziale Ekologii, Zachowania i Ewolucji. „Widzimy, jak koewolucja bakterii i fagów prowadzi do powstania bardzo złożonej sieci ekologicznej. Ewolucja nie musi być tak powolna i stopniowa, jak myślał Darwin.

Mayer twierdzi, że nowe badanie oferuje nowe spojrzenie na ewolucję złożonych sieci ekologicznych w różnych ekosystemach, niezależnie od tego, czy są to sieci troficzne na sawannach, sieci zapylaczy w lasach deszczowych, czy też drobnoustroje oddziałujące na siebie w oceanie.

W miarę jak bakterie i wirusy przystosowywały się do siebie nawzajem, z czasem wyłoniły się dwa powtarzające się wzorce. Należą do nich zagnieżdżanie, rozwój, w którym wąskie interakcje między specjalistami od bakterii i wirusów są „zagnieżdżane” w szerszym zakresie ogólnych interakcji; oraz modułowość, gdzie interakcje między gatunkami tworzą jednostki w ramach wyspecjalizowanych grup, ale nie między grupami.

„Byliśmy zaskoczeni, gdy odkryliśmy, że nasz eksperyment ewolucyjny w małych kolbach podsumował złożone wzorce zaobserwowane wcześniej wśród bakterii i wirusów zebranych regionalnie i przez oceany” – powiedział Boren.

„Kiedy nasz zespół badawczy po raz pierwszy zmierzył ten wieloskalowy wzór na danych dotyczących interakcji bakterii środowiskowych i fagów, pomyśleliśmy, że pojawienie się takiej złożoności będzie wymagało długich okresów ewolucji” – dodał współautor badania, profesor Joshua Weitz z Wydziału Uniwersytetu Maryland biologii.

Uchwycenie tych zmian ewolucyjnych „w prawdziwym życiu” wzmacnia siłę ewolucji, która jest często niedoceniana, mówi Mayer. Szybka ewolucja chorób w dalszym ciągu kształtuje nasz świat na nowe sposoby. Dzięki COVID-19 i nowym mutacjom SARS-CoV-2 wirusy wykazały dużą zdolność do adaptacji ewolucyjnych, które prowadzą do nowych szczepów po napotkaniu przeciwciał, szczepionek i innych przeszkód uniemożliwiających im skuteczne infekowanie i rozprzestrzenianie się. Takie nowe koncepcje ewolucji drobnoustrojów zmieniają sposób leczenia pacjentów.

„Pokazaliśmy, że ewolucja może szybko wytworzyć złożone sieci ekologiczne przy bardzo niewielkiej pomocy z zewnątrz” – powiedział Mayer, zauważając, że przykłady takich zewnętrznych sił ewolucyjnych obejmują izolację ze względu na odległość geograficzną, czynniki środowiskowe i interakcje z innymi gatunkami. „Możemy zatem wykorzystać fagi i bakterie jako system modelowy, aby zrozumieć ogólne zasady ewolucji i pomóc pokazać, jak życie na Ziemi od prostych początków ewoluowało w różnorodne i złożone ekosystemy”.

W powiązanych pracach Mayer i Weitz wykorzystują sztuczną inteligencję do badania, w jaki sposób można wykorzystać fagi w obliczu narastającego kryzysu związanego z opornością na antybiotyki. Badania obejmują analizę danych ewolucyjnych w celu zidentyfikowania mutacji w fagach i bakteriach, które mogą prowadzić do infekcji i oporności. Badanie podkreśla również nowy wysiłek wspierany przez Instytut Medyczny Howarda Hughesa, mający na celu zbadanie, w jaki sposób „duże” fagi mogą zostać wykorzystane jako nowe środki terapeutyczne.

Współautorami artykułu Science są Joshua Boren, Justin Lee, Adriana Lucia Sanz, Christa Gerbino, Joshua Weitz i Justin Mayer.

Szybka ewolucja bakterii i fagów powoduje powstanie sieci wieloskalowychNauki

Astrobiologia