Nya gener från ingenting
En viktig fråga inom evolutionsbiologin är hur nya gener uppstår och utvecklas. I en ny studie visar forskare hur nya gener och funktioner som är fördelaktiga för bakterier kan sållas fram från ett slumpmässigt urval DNA-sekvenser.
Hur uppstår och utvecklas nya gener och funktionella proteiner? Det är en av de mest fundamentala frågorna inom evolutionsbiologin. Två olika typer av mekanismer har föreslagits: (1) nya gener med nya funktioner uppstår från existerande gener, samt (2) evolution av nya gener och proteiner från slumpmässiga DNA-sekvenser som inte har någon likhet med existerande gener och proteiner.
Forskare vid Uppsala universitet har nu studerat den andra typen av mekanism, det vill säga evolution av nya gener och proteiner från randomiserade DNA-sekvenser, så kallad de novo-evolution. Det är ganska enkelt att förstå att när man redan har ”någonting” så kan det modifieras och få en ny funktion, men hur går man från ”ingenting” till en funktion som innebär en liten fördel och därmed gynnas av det naturliga urvalet?
Bibliotek av gener
Råmaterialet för försöket var ett jättebibliotek med cirka 500 miljoner randomiserade gensekvenser varifrån man identifierade peptidsekvenser (korta proteinbitar, bestående av aminosyror) som har en biologisk funktion. I försöket sattes slumpmässiga gensekvenser på en plasmid, överuttrycktes, och sen undersökte man om de kunde tillföra bakterien en viss specifik egenskap. Kunde de till exempel ge bakterien antibiotikaresistens?
Plasmider är små ringformade DNA-molekyler som finns utanför kromosomerna i många bakterier. Plasmider bär ofta en förhållandevis liten mängd information (gener) och kan därmed lätt överföras mellan bakterier. De används som verktyg inom molekylärbiologin, till exempel vid kloning av gener.Plasmider bär få gener och kan lätt överföras
Forskarna identifierade flera korta peptider (22-25 aminosyror långa) som kunde göra bakterien kraftigt resistent mot aminoglykosider, en viktig klass av antibiotika som används för allvarliga infektioner.
– När projektet påbörjades hade vi låga förväntningar och vi blev mycket förvånade när vi hittade peptider som kunde ge en 48-faldig ökning i resistensnivån, säger Michael Knopp, förstaförfattare till studien vars resultat presenteras i den vetenskapliga tidskriften mBio.
Slumpmässiga DNA-sekvenser kan ge nya funktioner
Genom en kombination av genetiska och funktionella experiment kunde man visa att peptiderna orsakar resistensen genom att de fastnar i bakteriens cellmembran och påverkar protonpotentialen över membranet. Störningen i protonpotential leder till att upptaget av antibiotika minskas och bakterien blir resistent.
– Denna studie är viktig därför att den visar att helt slumpmässiga sekvenser av aminosyror kan ge upphov till nya och fördelaktiga funktioner och att denna process av de novo-evolution kan studeras experimentellt i laboratoriet, säger Dan I. Andersson, professor i medicinsk bakteriologi och huvudansvarig för studien.
Vetenskaplig artikel:
De Novo Emergence of Peptides That Confer Antibiotic Resistance (Michael Knopp, Jonina S. Gudmundsdottir, Tobias Nilsson, Finja König, Omar Warsi, Fredrika Rajer, Pia Ädelroth, Dan I. Andersson) mBio Jun 2019, 10 (3) e00837-19
Kontakt:
Dan Andersson, professor i medicinsk bakteriologi, Uppsala universitet, dan.andersson@imbim.uu
