Эксперименты с эволюцией легендарных бактерий вступают в новую эру

24 февраля 1988 года биолог-эволюционист Ричард Ленски наполнил 12 колб сахарной питательной средой и засеял каждую из них. кишечная палочка бактерии. За последние 34 года Ленски и его коллеги из Мичиганского государственного университета в Ист-Лансинге курировали бактериальные культуры, ежедневно обновляя питательную среду и каждые два месяца замораживая образцы для будущих исследований.

Опыт долгосрочного развития (LTEE) Это стало краеугольным камнем эволюционной биологии, которую исследователи продолжают исследовать в поисках идей. В течение 75 000 поколений бактерии добились огромных успехов в своей приспособленности — насколько быстро они растут по сравнению с другими бактериями — и развили некоторые удивительные черты.

В прошлом месяце Ленски и его лаборатория в последний раз позаботились о LTEE. 12 кишечная палочка бактерии Линии теперь заморожены в незамерзающей среде и вскоре будут возрождены, чтобы начать новую жизнь в лаборатории Джеффри Баррика, биолога-эволюциониста из Техасского университета в Остине, который впервые работал над экспериментом в 2000-х годах в качестве исследователя с докторской степенью. в лаборатории Ленски.

Эти двое говорили с вспыльчивый характер О прошлом, настоящем и будущем одного из самых продолжительных биологических экспериментов.

Что вдохновило вас начать эксперимент?

Ричард Ленски: Мне нравятся большие открытые вопросы. Я хотел провести очень простой и длинный эксперимент, чтобы посмотреть, насколько это воспроизводимо. Первоначальная цель была 2000 лари. Я думал, что это заслуживает названия «Эксперимент долгосрочной эволюции». Я понятия не имел, что это продлится до тех пор, пока его уже нет, и я надеюсь, что это продлится дольше.

Зачем ты его сохранил — и ходить, и ходить?

Lenski: На самом деле это очень простой опыт. Возможно, объем работы на человека в обычный день составляет полчаса. Это 365 дней в году, по крайней мере в принципе, но объем работы в день невелик.

И потом, конечно, бактерии со временем проделывали довольно забавные вещи. Появились новые технологии, такие как возможность недорого секвенировать геномы. Такие люди, как Джефф, присоединились к лаборатории и предложили новые идеи и вопросы. Бактерии делают интересные вещи. Я понял, что это должно длиться как можно дольше.

Сколько поколений прошло, когда Джефф начал работать над экспериментом?

Ленский: Вы присоединились к лаборатории где-то в 2007 году? Вероятно, это было около 40 000 поколений.

Джеффри Баррик: Кажется, правильно. Я мало знал об истории эксперимента — возможно, меньше, чем многие исследователи и аспиранты Рича. Но в моей карьере был период, когда я изучал эволюцию на молекулярном уровне, рассматривая все виды бактериальных геномов. Я хотел изучать развитие целых организмов в лаборатории и иметь возможность наблюдать за эволюцией. Это было просто то, чем я был очарован еще со времен учебы в колледже.

Трудно было продолжать эксперимент?

Баррик: Как сказал Рич, это довольно просто. Бывают сильные метели и другие вещи, которые случаются, а также другие искажения в инфраструктуре, которые иногда могут усложнить задачу, но вы всегда можете вернуться в морозильник, что действительно приятно и делает его более выполнимым, чем другие опыты. Люди проводили длительные эксперименты с мышами, мухами и другими организмами, когда что-то пойдет не так, если что-то пойдет не так, будет очень тяжело.

Ленский: Одно из преимуществ многолетнего опыта в том, что все очень просто. Мы работаем с химически определенной средой, мы можем замораживать и оживлять штаммы, пока не забьем дерево, и я думаю, что в новом доме все должно пройти довольно гладко.

Чему научил нас опыт относительно повторяющейся эволюции?

Ленский: Мой предубеждение при прохождении эксперимента заключалось в том, что все породы пойдут в совершенно разных направлениях. Я думал, что роль случая и случайности в эволюции будет больше, чем они были. И за эти годы мы уже наблюдали поразительную воспроизводимость. Таким образом, хотя модельный ряд улучшил свою относительную пригодность по сравнению с предшественником, возможно, на 70% или 80%, разница в соревновательной пригодности между большинством линий очень похожа только на некоторые. Так что все они чрезвычайно увеличились, но очень похожи друг на друга.

Но затем, на протяжении многих лет, мы также видели удивительные межстрочные интервалы. Тридцать тысяч поколений в эксперименте, одна из 12 линий развила способность потреблять цитрат, а не только глюкозу. И это вызвало большой интерес и даже некоторую, скажем так, враждебность со стороны некоторых людей, сомневающихся в силе эволюции. И после 75 000 поколений он по-прежнему единственный из 12 линий, развивший эту способность.

Есть ли серьезные вопросы об эволюции, на которые вы надеетесь ответить со временем?

Баррик: Для многих бактерий, которые оказываются в простой статической среде — особенно для простого эндосимбиоза, живущего внутри клеток насекомых, — их геномы со временем постепенно сокращаются. Я бы сказал, что самое удивительное для меня это кишечная палочка бактерии Она находилась в очень стабильной среде, но ее геномы не сильно сократились.

Ленский: Я думаю, что часть проблемы сокращения генома заключается в том, что это медленный процесс. Тридцать лет и 75 000 поколений — это капля в море эволюции. Поэтому я думаю, что если бы мы могли вернуться назад — через миллион лет или около того, бактерии, вероятно, значительно сократили бы свой геном. Это повод продолжать.

Почему вы решили передать эстафету LTEE?

Ленский: Я не останусь здесь навсегда. Я думаю, что лучше всего сделать это сейчас и спланировать их тщательно и вдумчиво. Так что это было логично. Мне 65 лет, и хотя я не планирую уходить на пенсию в ближайшие несколько лет, по крайней мере, лаборатория становится все меньше. И одна из важных вещей для поддержания долгосрочных полос — этот циркадный ритм. Я думаю, что лаборатория с полдюжиной или более людьми идеально подходит для освещения выходных и праздников, что приносит пользу опыту.

Поэтому я спросил Джеффа, может быть, в 2018 или 2019 году. У меня есть грант Национального научного фонда на проведение эксперимента, и сейчас Джефф является соруководителем этого эксперимента. И когда мы написали последнее обновление, мы составили этот план переноса, и это произойдет сейчас.

Почему Джефф взял его?

Баррик: Я большой сторонник открытой науки. Это отличный ресурс, который я хочу поддерживать, делиться им и следить за ним. Она стала своеобразным пробным камнем для многих историй об эволюции бактерий. И то, что люди могут использовать во многих направлениях. Я рад поддержать сообщество.

Вас беспокоит то, что вы берете на себя ответственность за такой длительный опыт?

Баррик: Как сказал Рич, продолжить эксперимент несложно. Что становится сложнее, так это организовать все корзины в морозильной камере, убедиться, что вы можете отправить их людям, и все документы, связанные с такими вещами.

Я не хочу иметь опыт, когда опыт приходит в мою лабораторию, а затем загрязняется, и я откладываю его на два или три года назад. Я хочу убедиться, что все идет хорошо. Но большая часть давления прекратилась, потому что она заморожена не только в лаборатории Рича и моей лаборатории, но и в лабораториях во Франции и других местах. Это снимает с меня стресс до такой степени, что я могу вызвать непоправимые проблемы. Так что я еще больше взволнован возможностью рассказать своим коллегам об этом опыте.

Рич, что ты посоветуешь Джеффу?

Ленский: Успокойтесь и продолжайте. Произойдут неприятные вещи. Но опыт вполне прощающий. Пока мой мозг работает, я буду очень рад видеть, какие новые эпизодические переживания он и его сотрудники генерируют, и какие новые анализы он и более широкое сообщество генерируют, чтобы понять, что происходит с длинными строками. Наверное, самая важная вещь, о которой Джеффу придется думать через 20 или 30 лет, это кто следующий?

Баррик: Твоя работа еще не сделана, Ричард. Я остаюсь лучшим научным коммуникатором и человеком, который дает людям долгосрочный опыт развития и создает это сообщество. Это на самом деле самая страшная вещь, которую никто не может заменить прямо сейчас. Экспериментировать очень легко.