Новое открытие в области эволюции называют «не иначе как революционным»
Эволюция всегда рассматривалась как сложный, случайный и непредсказуемый процесс, формирующий жизнь на Земле так, как мы и предположить не могли.
Но что, если в ней больше порядка, чем хаоса? Именно на это намекает группа ученых в своем новом исследовании.
Это исследование, проведенное под руководством профессора Джеймса Макинерни и доктора Алана Бивана из Школы наук о жизни Ноттингемского университета, намекает на то, что эволюция может быть не такой уж случайной, как мы долгое время считали.
Их исследование может иметь большое значение для решения таких проблем, как устойчивость к антибиотикам, болезни и даже изменение климата.
Эволюция, гены и пангеном
Итак, о чем же идет речь? Команда исследователей проанализировала пангеном - полный набор генов одного вида - чтобы выяснить, следует ли эволюция каким-либо предсказуемым путям.
Они хотели узнать: Является ли эволюция просто чередой случайностей, или же существует закономерность, на которую влияет история генома?
Что такое пангеном?
Говоря простым языком, пангеном - это полный набор всех генов, встречающихся у одного вида.
Он включает в себя все гены, присутствующие во всех различных штаммах или особях, охватывая как общие гены, разделяемые всеми (основной геном), так и уникальные, встречающиеся только у некоторых особей (дополнительный геном).
Таким образом, даже если отдельные особи могут иметь разный генетический состав, пангеном отражает все генетическое разнообразие вида.
Анализ пангенома позволяет исследователям определить, какие гены необходимы для выживания, а какие дают особые преимущества, открывая возможности для новых медицинских и экологических применений.
Требуется большая вычислительная мощность
Для анализа огромного массива данных, включающего 2500 полных геномов одного вида бактерий, команда использовала метод машинного обучения под названием Random Forest.
Подобные алгоритмымашинного обучения отлично подходят для поиска закономерностей, которые могут быть слишком сложными или тонкими для человека, чтобы обнаружить их самостоятельно.
Это не было быстрой работой - потребовалось несколько сотен тысяч часов компьютерной обработки.
Эволюция и «семейства генов»
Прежде всего, они создали «семейства генов» из каждого гена в каждом геноме. «Таким образом, мы могли сравнивать похожие геномы», - объясняет доктор Мария Роза Доминго-Сананес из Ноттингемского университета Трента.
Разобравшись с этими семействами, они сосредоточились на генах и семействах генов внутри геномов.
«Мы обнаружили, что некоторые семейства генов никогда не появлялись в геноме, когда там уже присутствовало какое-то другое семейство генов», - говорит доктор Доминго-Сананес.
«А в других случаях некоторые гены очень сильно зависели от присутствия другого семейства генов».
Скрытая экосистема генов, управляющая эволюцией
Другими словами, они обнаружили невидимую экосистему, в которой гены либо уживаются, либо конфликтуют друг с другом, что делает эволюцию предсказуемой.
«Эти взаимодействия между генами делают некоторые аспекты эволюции в определенной степени предсказуемыми, более того, теперь у нас есть инструмент, позволяющий делать такие предсказания», - добавил доктор Доминго-Сананес.
Смена парадигмы
Профессор Макинерни, ведущий автор исследования, мягко говоря, в восторге от открывающихся возможностей.
« Последствия этого исследования можно назвать революционными», - сказал он.
«Доказав, что эволюция не так случайна, как мы думали раньше, мы открыли двери для множества возможностей в синтетической биологии, медицине и экологии».
Применение в реальном мире
Это исследование - не просто понимание эволюции ради любопытства. Оно имеет реальные последствия, которые могут существенно повлиять на нашу жизнь.
Но как это может повлиять на нас с практической точки зрения?
«На основе этой работы мы можем начать изучать, какие гены «поддерживают» ген устойчивости к антибиотикам, например», - объясняет доктор Бивен.
«Поэтому, если мы пытаемся устранить устойчивость к антибиотикам, мы можем воздействовать не только на очаговый ген, но и на поддерживающие его гены».
Борьба с устойчивостью к антибиотикам
Этот подход может стать переломным моментом в борьбе с бактериями, устойчивыми к антибиотикам.
Понимая сеть генов, которые работают вместе, ученые смогут разработать более эффективные методы лечения.
«Мы можем использовать этот подход для синтеза новых видов генетических конструкций, которые могут быть использованы для разработки новых лекарств или вакцин», - продолжает доктор Биван.
«Знание того, что мы знаем сейчас, открывает двери для множества других открытий».
Последствия для изменения климата
Результаты исследования также могут помочь в борьбе с изменением климата.
Создав микроорганизмы, способные улавливать углерод или расщеплять загрязняющие вещества, мы сможем разработать новые инструменты для уменьшения нашего экологического следа.
Продвижение персонализированной медицины
Предсказуемость взаимодействия генов также может произвести революцию в персонализированной медицине.
Представьте себе, что врачи смогут предсказать, как болезнь может развиваться в вашем организме, основываясь на вашем генетическом составе, или какие методы лечения будут наиболее эффективны для вас.
Это исследование может сделать нас на шаг ближе к такой реальности.
Эволюция, генные манипуляции и будущее
Подводя итог, можно сказать, что это новое исследование меняет наше представление об эволюции. Вместо того чтобы рассматривать ее как серию случайных событий, исследование предполагает наличие определенного уровня предсказуемости, на который влияют семейства генов и генетическая история.
Очевидно, что это очень важное событие по многим другим причинам, помимо того, что оно перевернуло все наши представления об эволюции с тех пор, как Чарльз Дарвин вышел на сцену.
Это открытие означает, что мы сможем предвидеть и даже направлять эволюционные изменения таким образом, о котором даже не подозревали.
Практическое применение этого открытия огромно. От разработки новых стратегий борьбы с устойчивостью к антибиотикам до создания организмов, способных помочь в борьбе с изменением климата, - все это открывает широкие возможности.
Идея о том, что мы можем воздействовать не только на вредные гены, но и на их «вспомогательный состав», открывает новые пути в медицине и экологии.
В целом, это исследование предлагает нам переосмыслить некоторые фундаментальные представления о жизни и эволюции. Теперь это не просто случайность, а закономерность и порядок, к которым мы можем прислушаться.
Кто знает, какие еще двери откроются перед нами, когда мы узнаем больше? Это захватывающее время, чтобы жить, и захватывающее время, чтобы быть ученым».
Полная версия исследования опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
