Od drzewa rodowego do sieci bezskalowych: nowa wizja ewolucji bakterii
Naukowcy z Europejskiego Instytutu Bioinformatyki (EBI) ujawnili nowy wzorzec mikrobiologicznych związków genetycznych, zmieniając stereotypowe poglądy dotyczące ewolucji bakterii na przestrzeni czterech miliardów lat. Zespół EBI, na czele którego stoi Christos Ouzounis, odkrył trop wskazujący sposób przenoszenia rodzin genów, nie tylko "pionowo" z danego organizmu na potomstwo, ale również "poziomo" poprzez wymianę materiału genetycznego między organizmami słabo spokrewnionymi. Ta nowa perspektywa drzewa rodowego mogłaby pomóc naukowcom w lepszym rozumieniu trudności ze zwalczaniem chorób bakteryjnych - bakterie wciąż tworzą nowe szczepy odporne na antybiotyki, stale wyprzedzając opracowanie nowych leków. Od czasów Darwina ewolucyjne związki między organizmami są przedstawiane w stereotypowy sposób - w postaci drzewa, na którym wspólni przodkowie są ulokowani u podstawy pnia, zaś niedawno rozwinięte gatunki na końcach gałęzi. Od dłuższego czasu mikrobiolodzy przekonywali, że taki obraz nie pasuje do mikrobów, jako że one często wymieniają geny pomiędzy różnymi gatunkami. Zdaniem ekspertów, proponowany model ewolucji mikrobiologicznej lepiej obrazowałaby sieć. Problem tkwił jednak w tym, że aż do dziś nikt dokładnie nie wiedział, gdzie w tej sieci prowadzić linie poziome. Wiktor Kunin, były doktorant w zespole dr Ouzounisa, wraz z kolegami osiągnął sukces tworząc mapę mikrobiologicznej ewolucji, cofając się miliardy lat wstecz do ostatniego wspólnego przodka. Mapa po raz pierwszy zawierała linie poziome. Pocieszający jest fakt, że drzewa ewolucyjne budowane wieloma niezależnymi metodami i przez wiele różnych grup badawczych są spójne ze sobą w zauważalnym stopniu, opowiadając tę samą historię. Wykorzystaliśmy je jako rusztowanie dla sieci, na którym poszukiwaliśmy dowodów poziomego przenoszenia genów - wyjaśnia naukowiec. Do wyznaczenia dróg pojawiania się poziomego przenoszenia genów użyto metody zwanej "śledzenie genów" wcześniej opracowanej przez zespół dr Ouzounisa. Dzięki tej metodzie można wyciągnąć wnioski o poziomym przenoszeniu genów z niejednolitej obecności rodziny genów u słabo spokrewnionych organizmów. Dane generowane przez "śledzenie genów" pozwoliły na narysowanie "lian", przedstawiających zdarzenia poziomego przenoszenie genów, łączących gałęzie na drzewie ewolucyjnym. Ogólnie, zaobserwowano ponad 600 tys. przypadków pionowego przenoszenia genów, połączonych z 90 tys. zdarzeń utraty genów i około 40 tys. przypadków poziomego przenoszenia genów. I choć rozpowszechnienie większości rodzin genów występujących dzisiaj można wytłumaczyć za pomocą klasycznej teorii ewolucji poprzez dziedziczenie, to nieprawidłowości w tych wzorcach mogą być ujawnione dzięki "raportowi mniejszości" o wymianie poziomej. Aby zrozumieć wpływ poziomego przenoszenia genów na mikrobiologiczne drzewo rodowe, zespół skoncentrował się na sieci "lian" biegnących wśród gałęzi drzewa. Wydaje się, że sieć ta ma charakter "bezskalowy". Ten termin został wymyślony przez fizyka Alberta Laszlo Barabasiego i jego kolegów z Uniwersytetu Notre Dame w amerykańskim stanie Indiana. W 1998 r. tworzyli oni mapę połączeń sieci WWW i odkryli, ku swojemu zdziwieniu, że sieć nie ma nawet dystrybucji połączeń (tak zwanej "łączności bezpośredniej"), natomiast do niewielkiej liczby węzłów sieci (zwanych koncentratorami) występowało o wiele więcej połączeń niż do pozostałych. Jedną z właściwości sieci bezskalowych jest ich charakter "sieci małego świata": przenoszenie się z jednego węzła do drugiego jest niezwykle szybkie. Innymi dobrze znanymi przykładami sieci małego świata są sieci społeczne i połączenia lotnicze. Taka charakterystyka pozwala koncentratorom służyć jako "banki genów", zapewniając medium do pozyskiwania i rozprowadzania genów we wspólnotach mikrobiologicznych. Zdaniem Christosa Ouzounisa, wzorzec ten ma istotne następstwa dla rozumienia poziomego przenoszenia genów, bowiem w sieciach małego świata najkrótsza ścieżka między dwoma węzłami sieci jest stosunkowo mała. Innymi słowy, gen może być błyskawicznie przekazywany z jednego organizmu do drugiego za pomocą niewielu zdarzeń poziomego przenoszenia - wyjaśnia naukowiec. Wydaje się, że kilka gatunków, w tym dobroczynne bakterie glebowe wiążące azot, jest "mistrzami" w poziomym przenoszeniu genów. - To całkiem możliwe, że pozornie nieszkodliwe organizmy za naszymi plecami spokojnie rozsiewają odporność na antybiotyki - podsumowuje Christos Ouzounis.
Kraje
Niemcy