Kde se berou evoluční novinky? Pokus s bakteriemi

10.05. 19:00 | Autor: Radek John

Kultura bakterie Pseudomonas aeruginosa na Petriho misce.

Každý ví, že dnešní podoba živých bytostí je výsledek pomalého vylepšování prostřednictvím náhodných mutací. Jak ale vznikají úplně nové věci, které předtím na světě nebyly? Organizmy by mohly používat nadbytečné kopie genů.

Spousta skupin organizmů má nějakou klíčovou novinku, která jim kdysi umožnila ovládnout nové prostředí. U nás, savců, by se za ně daly považovat třeba hustá srst, nebo mateřské mléko. U ptáků by to byla křídla, u pavouků pavučina, a tak dál. Když už jednou takovou věc máte, je vcelku snadné si představit, jak se prostřednictvím drobných genetických změn pomalu vylepšuje a tvaruje. Jeden medvěd má řídkou a málo hřejivou srst. Když přijdou mrazy, zmrzne a nezanechá potomstvo. Jiný medvěd s huňatější srstí naopak přežije a rozmnoží se. Pseudomonas aeruginosa na počítačem dobarveném snímku z elektronového mikroskopu.

Jeho medvíďata budou mít zase hustou srst, takže v příštím mrazu přežijí. Pavouk, který má slabou pavučinu, uhyne hlady. Pavouci se silnými pavučinami chytí spoustu much, rozmnoží se a mají hromadu malých pavoučků.

A tak dál. Jenže jak taková věc jako srst nebo pavučina vzniká? Skupina mikrobiologů v čele s Macarenou Toll-Rierou z Zurišské univerzity to vyzkoušela na bakteriích.

Měsíc místo tisíciletí

Jako pokusné zvíře si vybrali mikroba Pseudomonas aeruginosa, který se často používá při výzkumu rezistence na antibiotika. Zkoumat evoluci na bakteriích je výhodné, poněvadž žijí krátce. Dají se snadno pěstovat na Petriho miskách. Toll-Riera a spol. nabídli P. aeruginose jako zdroj potravy cukry, které nebyla zvyklá zpracovávat. Nejedlých cukrů bylo 95 druhů. Každý z nich dali vědci na čtyři misky s bakterií.

Dohromady to tedy bylo 380 misek. Nechali na nich bakterie růst měsíc, což odpovídá přibližně 140 generacím. S lidmi by podobný pokus zabral přes tři tisíce let (pokud počítáte pětadvacet let na jednu generaci, je to 3500, tady asi od doby bronzové po dnešek). P. aeruginosa v lidském dýchacím traktu.

Vědci z misek celou dobu odebírali vzorky bakterií, aby mohli přečíst jejich DNA, a počítali je, aby zjistili, jak se jim na nejedlých cukrech daří. Když pokus skončil, porovnali výzkumníci DNA všech bakterií.

Nadbytečný gen

Hledali v ní mutace, jimiž se bakterie přizpůsobily novému prostředí. Našli jich celkem 140. Většina z nich byly jednoduché záměny jednoho písmena v genetickém kódu za jiné, což odpovídá klasické představě evoluce jako postupnému hromadění drobných zlepšováků. Několik málo mutací byly krátké vynechávky, nebo naopak vepsání několika písmen. Nejzajímavějších je ale pět případů, v nichž našli biologové v genomu bakterie jednu kopii některého z jejích genů navíc.

Takový nadbytečný gen se totiž může hodit, pokud potřebujete mít s čím experimentovat. Asi jako když na starý počítač místo vyhození do šrotu nainstalujete Linux, abyste na něm mohli spouštět programy, které vám ve Wndows nefungují. Kopii genu, který ještě nedávno sloužil třeba k štěpení obyčejné glukózy, může bakterie změnit, aby si poradil s jiným cukrem, s nímž se ještě nikdy nesetkala. Buňky P. aeruginosa.

My také

Původní gen jí při tom zůstane, takže schopnost zpracovat glukózu neztratí. Zdvojení některého genu je samozřejmě riskantní. Místo přežití v nepřátelských podmínkách může bakterie uhynout. Občas ale pokus se zdvojením vyjde. A netýká se to jen bakterií.

V minulosti mnohobuněčných organizmů několikrát vznikli jedinci, kteří neměli jen dvě kopie jednoho genu, ale rovnou celého genomu. A přežili. Získali tak prostor ke genetickým pokusům.

Některé skupiny, jako jsou třeba rostliny, k tomu mají dokonce sklon. Ke zdvojení genomu došlo ale i v dávné minulosti nás, obratlovců. Stalo se to dokonce hned dvakrát, takže proti svým dávným předkům máme čtyři kopie původního genomu.

Foto: Sun14916, wiki, Syracuse University, Tom Moninger, University of Iowa , CDC

Autor: Radek John