От этого зависит, как организм функционирует и эволюционирует. Ученые из Токийского университета придумали способ ускорять изменения в структуре бактериального ДНК, воздействуя на маленькие «прыгающие гены» — подвижные участки ДНК, известные как инсерционные последовательности  (IS-элементы).

Результаты опубликованы в издании Nucleic Acids Research.

Мы привыкли изучать эволюцию по окаменелостям и древним ДНК, но некоторые события — например, как появились митохондрии — почти не оставили следов, — говорит Юки Канаи.

Лабораторные эксперименты обычно показывают лишь мелкие мутации. Мы же ускорили эволюцию бактерий и увидели, как их геном меняется в реальном времени.

Бактерии удобны для таких исследований: их геномы компактны и относительно стабильны. IS-элементы могут «перепрыгивать» с места на место, вызывая крупные перестройки — удаления, дупликации, даже изменение размера генома. В природе это происходит медленно: у кишечной палочки (E. coli) такой „прыжок“ случается раз в несколько тысяч поколений. Но ученые заставили процесс идти быстрее, добавив в бактерии сразу несколько высокоактивных IS-элементов.

Идея пришла неожиданно.

Мы сотрудничали с исследователями, изучающими насекомых, — рассказывает Канаи.

У некоторых бактерий-симбионтов геном в десять раз меньше, чем у свободноживущих, и он буквально нашпигован «прыгающими генами». Видимо, они „разрезали“ ДНК, сокращая геном. Мы подумали: а что, если повторить это в пробирке?

Всего за 10 недель бактерии накопили около 25 новых вставок мобильных элементов, а их геномы выросли или сократились на 5%. Обычно на это уходят десятилетия. Ученые увидели, как частые мелкие удаления сочетаются с редкими крупными дупликациями — это меняет представление об эволюции генома. Высокая активность IS-элементов привела к появлению составных транспозонов — сложных структур, которые могут играть ключевую роль в эволюции.

Мы не ожидали, что наш эксперимент прольет свет и на эволюцию самих транспозонов, — признается Канаи.

Они влияют на бактериальные геномы, но как они сами меняются, изучено плохо.

Теперь команда хочет проверить, как ускоренная эволюция влияет на взаимодействие бактерий между собой и с хозяевами.

Моя мечта — понять, как природа создает сложные организмы, — говорит Канаи.

Возможно, однажды мы сможем «доращивать» простые формы жизни до нужной сложности или создавать материалы, которые нельзя спроектировать вручную — только через эволюционную настройку.

Этот метод — как машина времени для генетиков. Он позволяет:

• Имитировать редкие события  (например, как бактерии теряют гены, становясь симбионтами).
• Изучать эволюцию в реальном времени, а не по косвенным данным.
• Контролировать процесс, что важно для синтетической биологии.

Применений масса: от создания штаммов для биотехнологий до понимания, как патогены адаптируются к антибиотикам.

Но не будем забывать, что ускоренная эволюция в пробирке — все же упрощенная модель. В природе на бактерий влияют сотни факторов: конкуренция, вирусы, изменение среды. Лабораторные условия могут искажать картину.

Ранее ученые выяснили, что бактерии общаются с помощью прикосновений.