Ett unikt experiment vid Rice University som tvingar bakterier in i en head-to-head-tävling om evolutionär dominans har gett nya insikter om hur darwinistiskt urval utspelar sig på molekylär nivå. En krävande ny analys av experimentet har avslöjat exakt hur specifika genetiska mutationer ger en fysisk fördel i konkurrensen om överlevnad.
Den nya forskningen, som kan leda till effektivare strategier för att bekämpa antibiotikaresistens, var den mest nedladdade artikeln denna månad i tidskriften Molecular Systems Biology.
Forskningen bygger på en genialisk studie från 2005 som involverade bakterier som kallas "termofiler", som trivs vid höga temperaturer. Forskare i risbiokemisten Yousif Shamoos laboratorium "slog ut" en nyckelgen som gjorde det möjligt för termofilerna att producera energi vid höga temperaturer. Dessa förlamade versioner av bakterierna odlades sedan i fermentorer i flera veckor. Varje dag höjdes temperaturen på fermentorerna. Som ett resultat tvingades bakterierna att antingen svälta eller anpassa sig för att överleva vid hög temperatur.
Av de hundratals möjliga mutationer, visade sig endast fem vara framgångsrika när det gäller att låta cellerna anpassa sig och överleva vid hög temperatur. Var och en av dessa hade mutationer i en gen som skapar ett nyckelenzym som hjälper till att producera energi vid hög temperatur. Var och en av de fem gjorde en lite olika version av enzymet.
"En av dessa fem vann till slut helt och drev alla de andra till utrotning", sa Shamoo, docent i biokemi och cellbiologi och chef för Rice's Institute of Biosciences and Bioengineering."Frågan är vilken fysisk fördel hade just den mutanten? Vilka var de exakta fysiska förändringarna av enzymet som gjorde att den stammen kunde konkurrera ut sina kusiner?"
Att hitta svaret på den frågan var mödosamt. Medan de genetiska mutationerna var kända från den tidigare studien, föll det på doktoranden Matt Peña att ta reda på hur små förändringar i bakteriernas DNA-struktur översattes till specifika enzymatiska förändringar. Han fann att anpassning var kritiskt beroende av att enzymet höll igång samtidigt som det ökade dess motståndskraft mot inaktivering när temperaturerna ökade.
Han fann att versioner av enzymet - som är en specifik sorts protein - som blev inaktiva också var utsatta för felveckning av protein. Hos människor har en oförmåga att behålla korrekt vikta och aktiva proteiner kopplats till flera mänskliga sjukdomar, inklusive Alzheimers.
"Studier som denna kan hjälpa oss att förstå den fysiska grunden för dessa typer av sjukdomar, och de kan ge oss en bättre förståelse för den molekylära grunden för anpassning", sa Shamoo."Till exempel, det vi lär oss av dessa termofiler överförs till vårt arbete med läkemedelsresistenta bakterier eftersom principerna för anpassning är desamma oavsett om du studerar temperatur, pH, antibiotikaresistens eller vad som helst", sa han.
Shamoos labb vann finansiering från National Institutes of He alth 2009 för att studera hur bakterier utvecklar antibiotikaresistens. Ett av projektets slutmål är att förutsäga hur evolutionen kommer att utspela sig så att läkemedelstillverkare kan avvärja motstånd innan det uppstår.
"Med den termofila studien har vi visat att det är möjligt att bygga en fitnessfunktion - ett matematiskt uttryck - som översätter enzymprestanda till ett specifikt mått på konkurrensfördelar", sa Shamoo. "Det är viktigt för om du inte kan göra det för ett protein av intresse, så finns det inget sätt att du kommer att kunna göra det för ett mer komplicerat problem som antibiotikaresistens, som involverar samtidiga mutationer till mer än en gen."
Medförfattare till det nya forskningsdokumentet inkluderar Milya Davlieva, forskare; Matthew Bennett, biträdande professor i biokemi och cellbiologi; och John Olson, professorn i Ralph och Dorothy Looney i biokemi och cellbiologi vid Rice.
