הממצאים שפורסמו אתמול (ה') בכתב העת נייצ'ר חושפים ניתוח גנומי מעמיק המקודד כיצד חיידק אי-קולי מתאים את עצמו להוסיף לתזונה המסורתית בגלוקוזה שנוספה אליה מנה הגונה של ציטראט.
צוות של חוקרים מאוניברסיטת מדינת מישיגן תיעד צעד אחר צעד את התהליך שבאמצעותו יצורים מפתחים תכונות חדשות.
הממצאים שפורסמו אתמול (ה') בכתב העת נייצ'ר חושפים ניתוח גנומי מעמיק המקודד כיצד חיידק אי-קולי מתאים את עצמו להוסיף לתזונה המסורתית בגלוקוזה שנוספה אליה מנה הגונה של ציטראט.
:מגניב לראות כיצד תכונה ביולוגית חדשה מתפתחת" אומר זכארי בלונט, פוסט דוקטורנט במרכז בייקון של אוניברסיטת מדינת מישיגן לחקר האבולוציה בפעולה. "החיידקים הראשונים שאכלו ציחטראט בקושי הצליחו לגדול על ציטראט אך הם השתפרו במהלך הזמן. רצינו להבין מהם השינויים שאיפשרו לחיידק לפתח יכולות חדשות. היה לנו מזל שיש לנו מערכת שאיפשרה לנו לעשות זאת."
חיידקי אי.קולי רגילים אינם יכולים לעכל ציטראט בנוכחות חמצן. למעשה, זה סימן מזהה של אי קולי. הם אינם יכולים לעכל ציטראט משום שאי.קולי אינו יכול לבטא את החלבון הנכון הדרוש לעיכול מולקולות הציטראט.
בלונט בצוותא עם ריצ'ארד לנסקי, פרופ' למיקרו ביולוגיה וגנטיקה מולקולרית במישיגן. ניסוי ארוך טווח שלנסקי החל בו ב-1988 ובמסגרתו גידל תרביות של חיידקי אי.קולי מהירי צמיחה יאפשרו לו ולחברי הצוות לחקור יותר מ-56 אלף דורות של אבולוציה חיידקית.
הניסוי הראה את הברירה הטבעית בפעולה. מכיוון שהדוגמאות של החיידקים הוקפאו והיו זמינים למחקר מאוחר יותר, כאשר משהו חדש צץ, המדענים יכלו ללכת אחורנית לדורות קודמים ולבחון את הצעדים שהתרחשו לאורך הדרך.
"ראינו לראשונה את החיידקים המשתמשים בציטראט בערך בדור ה-33 אלף" הסביר לנסקי. "אך זק הצליח להראות כי כמה מהמוטציות החשובות כבר התרחשו קודם לכן. לאחר מכן, צפה בהקרנה מחודשת של האבולוציה בשלבי ביניים שונים. הוא הראה כי ניתן לגרום לאבולוציה מחודשת אצל אוכלי הציטראט, אך רק לאחר שכמה חלקים אחרים של הפאזל הונחו במקומם."
במאמר ניתחו בלאונט וחברי צוותו 29 גנומים מדורות שונים כדי למצוא את החלתיכות המוטציוניות של הפאזל. הם חשפו תהליך בן שלושה שלבים שבאמצעותו החיידק מפתח יכולות חדשות.
השלב הראשון היה פוטנציאציה potentiation, כאשר האי. קולי צבר לפחות שתי מוטאציות שהניחו את השלב לאירועים המאוחרים יותר. השךב השני אקטואליזציה actualization מתרחש כאשר החיידק מתחיל לראשונה לאכול ציטראט אך רק בקושי נוגס בו. השלב האחרון, עידון (refinement) מערב מוטצאיות שכבר שיפרו את התכונה החלשה הראשונית. הדבר איפשר לאוכלי הציטראט להסתער על מקור המזון החדש ולהפוך לדומיננטיים באוכלוסיה.
"התרגשנו במיוחד משלב האקטואליזציה" אמר בלאונט. "המוטציה המעורבת בכך היא די מורכבת. היא מארגנת מחדש חלקים של ה-DNA של החיידק, ובונה שלב רגולציה חדש שלא היה קיים קודם לכן. רכיב חדש זה גורם לייצור חלבון שמאפשר לחיידק להכניס ציטראט לתוך התא בנוכחות חמצן. זה טריק חדש עבור אי. קולי." מדובר בשינוי רחוק מהנורמאלי." אמר לנסקי.
"זו לא היתה מוטציה טיפוסית כלל, כאשר רק צמד בסיסים אחד, או אות אחת בגנום משתנה". אמר. "במקום זאת, חלק מהגנום הועתק כך ששני גושים של DNA חוברו יחדיו בדרך חדשה. גוש אחד קודד חלבון שאיפשר להניס את הציטראט לתוך התא בעוד השני גרם לביטוי החלבון."
במחקר היו שותפים גם חוקרים מאוניברסיטת טקסס ומאוניברסיטת קלגרי.