Природа редко создает что-то новое с нуля, чаще новая функция реализуется за счет копирования одного из старых элементов и последующей постепенной «заточки» копии под новое занятие [1]. Такой механизм позволяет быстрее всего приспосабливаться к изменениям. Ученым удалось понаблюдать, как бактерии с намеренно «сломанным» активатором генов жгутика «перенастроили» родственный белок на выполнение функций вышедшего из строя всего за 96 часов! Когда-то утраченный белок и белок, рекрутированный на его замену, произошли от одной молекулы, поэтому бактериям понадобилась лишь пара мутаций, чтобы уравнять родственников в обязанностях.

Жгутики — это довольно дорогое удовольствие для бактерий: на их строительство и работу требуется много ресурсов. Кроме того, иметь жгутики не всегда выгодно — к примеру, патогенных бактерий иммунная система хозяина зачастую опознает именно по жгутикам (выдает микроба белок флагеллин). Поэтому у бактерий есть специальный ген fleQ, включающий синтез жгутиков, если они действительно нужны . Ученые изучали бактерии Pseudomonas fluorescens, у которых одновременно отсутствовал ген fleQ и была отключена еще одна система передвижения — за счет синтеза специального гелеобразного вещества, с помощью которого бактерия может скользить по поверхности субстратов [2], [3]. Такие бактерии были неподвижны, и когда выедали все питательные вещества вокруг себя, начинали голодать. Поэтому им нужно было срочно найти способы восстановления подвижности.

Зачем нужны жгутики и как они устроены у бактерий, можно найти в статье «Движение бактерий» [4]. — Ред.

Бактерии предпочли изобрести новый метод включения генов жгутика, не задействующий продукт гена fleQ. В норме белок FleQ связывается с определенным участком ДНК перед генами жгутика и привлекает туда одну из субъединиц РНК-полимеразы, необходимую для начала считывания генов. Для такой работы бактерии приспособили дальнего родственника FleQ — белок NtrC. У него тоже есть участок для связывания ДНК и участок для связывания нужной субъединицы РНК-полимеразы, которые напоминают соответствующие области утраченного белка. В итоге NtrC хоть и не очень хорошо, но мог выполнять работу недостающего FleQ. Центральной идеей эксперимента было проследить эволюцию «в действии», когда под влиянием отбора признак, дающий преимущество, совершенствуется в последующих поколениях.

Первая мутация, которая произошла у неподвижных бактерий — это мутация в системах активации NtrC. Разные штаммы заставляли этот белок быть более активным по-разному. Чаще встречались изменения в последовательности белка, который фосфорилирует NtrC, тем самым активируя его. Но встречался и другой способ, задействующий естественную функцию NtrC — активацию генов поглощения азота, которая должна происходить при нехватке этого элемента. У некоторых мутантов портились системы поглощения азота, из-за чего клетке начинало его не хватать. Тогда белок NtrC активировался, чтобы помочь клетке «подкачать» азота, а в качестве побочного эффекта активировал и гены синтеза жгутиков. Таким был первый этап приспособления бактерий, утративших возможность передвигаться. Однако бактериям все еще приходилось туго: во-первых, гены жгутика активировались слабо, а во-вторых, был нарушен баланс потребления азота клеткой. Ведь у бактерий либо был гиперактивен NtrC, который заставлял поглощать азот больше, чем это нужно, либо, наоборот, были сломаны системы поступления азота, из-за чего клетке постоянно его не хватало.

Поэтому бактерии быстро переходили на следующий этап приспособления — изменяли последовательность самого NtrC. У этого белка происходили изменения в участке связывания с ДНК либо поблизости от него. По-видимому, это влияло на специфичность белка-регулятора, в результате чего он предпочитал активировать гены жгутика, а не поглощения азота. Такие мутации улучшали состояние бактерий: у них вырастали нормальные жгутики (рис. 1), а потребление азота несколько снижалось, хотя и оставалось завышенным по сравнению с нормой. Видимо, это было неизбежной ценой быстрой компенсации функции одного белка другим.

Если бы у бактерий было побольше времени, можно было бы ожидать, что ген белка NtrC удвоится, и одна из копий продолжит работу по регуляции азотного обмена, а вторая максимально приспособится к регуляции генов жгутика . Однако даже с одной копией гена бактерии в кратчайший срок приспособились к тяжелым обстоятельствам. А всё благодаря гомологии — ведь ген белка NtrC и сам когда-то произошел от той же последовательности, что и ген активатора жгутикообразования FleQ. Это удивительный пример того, как в экстремальных условиях природа находит способ быстро «выкрутиться» благодаря своей привычке реализовывать новые функции с помощью уже имеющихся подручных средств.

Похоже, подобным образом эволюционировали многие системы, а очень убедительно и аккуратно это показали на примере зрительной: «Откуда пошло зрение» [5]. — Ред.

Литература

1. Под «генную гармошку»;
2. Tiffany B. Taylor, Geraldine Mulley, Alexander H. Dills, Abdullah S. Alsohim, Liam J. McGuffin, et. al.. (2015). Evolutionary resurrection of flagellar motility via rewiring of the nitrogen regulation system. Science. 347, 1014-1017;
3. Abdullah S. Alsohim, Tiffany B. Taylor, Glyn A. Barrett, Jenna Gallie, Xue‐Xian Zhang, et. al.. (2014). The biosurfactant viscosin produced by Pseudomonas fluorescens SBW25 aids spreading motility and plant growth promotion. Environmental Microbiology. 16, 2267-2281;
4. Движение бактерий;
5. Откуда пошло зрение.