כיצד מחקר בחיידקים יכול לענות על השאלה כיצד פיתחו בע”ח וצמחים תכונות חדשות כדוגמת כנפיים ופרחים?

לאחר שלושים ימי אבולוציה, רוצפו הגנומים של החיידקים שפיתחו תכונות מטבוליות חדשניות. הם גילו כי המוטציות משפיעות בעיקר על גנים המעורבים בשיעתוק וחילוף חומרים, ושהחדשנות נוטה להתפתח באמצעות מוטציות בגנים משוכפלים קיימים בגנום החיידק

באבולוציה ההתפתחות של תכונות חדשות משמעותיות כגון כנפיים, פרחים, קרנים או גפיים שיחקו תפקיד מרכזי בכך שאיפשרו ליצור לנצל הזדמנויות חדשות בסביבתו.

השאלה הפתוחה היא רק כיצד שילוב התכוונת החדשות הופיע מההיבט הגנטי. מחקר חדש של צוות בינלאומי בראשות חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד התשמשו בחיידק כדי להראות כיצד שכפול עותקים של גנים יכול לשמש כתבנית שמאפשרת ליצורים לפתח תכונות חדשות מהעתקים מיותרים של גנים קיימים.

שכפול גנים הוצע כגורם המשחק תפקיד מרכזי בחדשנות האבולוציונית מאז שנות השבעים של המאה העשרים, אך הממצאים הנוכחיים הוסיפו עדות אמפירית שתתמוך בתיאוריה. המחקר שנעשה בשיתוף עם חוקרים מאוניברסיטת ציריך התפרסם בכתב העת PLOS Genetics.

פרופ’ קרייג מקלין, עמית קרן וולקאם במחלקה לזואולוגיה באוניברסיטת אוקספורד אמר: “הופעת תכונות חדשניות כגון כנפיים ופרחים שיחקה תפקיד חשוב באבולוציה של המגוון הביולוגי. ואולם לעיתים קשה להבין את השינויים הגנטיים שקרו בפועל ואשר הובילו לחדשנויות אבולוציוניות אלה.
“ניצלנו את היכולת הטמונה במודל חיידקי פשוט, שבהם החיידקים מפתחים יכולת לאכול ממקור מזון חדש כדי להתגבר על המכשול” אמר.

החוקרים איפשרו ל-380 אוכלוסיות של חיידקי Pseudomonas aeruginosa לפתח תכונות חדשניות כגון היכולת לעכל סוכרים חדשים. הדבר נתן לחוקרים הזדמנות לצפות באבולוציה המתרחשת בזמן אמת.

לאחר שלושים ימי אבולוציה, רוצפו הגנומים של החיידקים שפיתחו תכונות מטבוליות חדשניות. הם גילו כי המוטציות משפיעות בעיקר על גנים המעורבים בשיעתוק וחילוף חומרים, ושהחדשנות נוטה להתפתח באמצעות מוטציות בגנים משוכפלים קיימים בגנום החיידק.

שכפול מניע חדשנות משום שהיתירות הגנטית המסופקת על ידי השכפול מאפשרת לחיידק לפתח תכונות מטבוליות חדשות בלי לפגוע בתכונות הקיימות. ממצאים אלה מעלים את ההשערה כי אירועי שכפול בעבר היו עשויים להיות חשובים לחדשנויות עתידיות.
פרופ’ מקלין הוסיף: “התובנה העיקרית במחקר שלנו היא שקיומם של העתקים עודפים של גנים מספקת לחיידק תבנית לפיתוח תכונות חדשות מבלי להקריב תכונות קיימות. במילים אחרות, גנים עודפים מאפשרים לחיידק לאפות את העוגה ולאכול אותה.”
“ביצורים עיליים כגון בעלי חיים וצמחים גנים משוכפלים מופיעים משכפולים ספונטניים של גנים קיימים. בניגוד לכך, חיידקים נוטים לרכוש גנים עודפים מתאי חיידק שכנים באמצעות העברה רוחבית של גנים, שהיא המקבילה החיידקית ליחסי מין.
“ממצאים אלה מספקים עדות אמפירית התומכת בתפקיד שכפול הגנים בחדשנות האבולוציונית, והם מעלים השערה לפיה ייתכן שיהיה ניתן לחזות את היכולת של חיידק פתוגני לפתח תכונות קליניות חשובות כגון ארסיות או עמידות כנגד אנטיביטיקה.”

להודעה של החוקרים

למאמר המדעי