在微生物群体中生物工程师发现了相反的基因组力量的平衡

伊利诺伊大学生物工程和物理学教授谢尔盖·马斯洛夫(Sergei Maslov)看到了“一粒沙子中的宇宙”。他的研究旨在通过关注其成分的基因组多样性来探索这个宇宙：数以百万计的微生物在其中繁衍生息。

Maslov最近发表于Genetics的研究通过模拟几种不同因素对基因组序列进化的影响，研究了控制这种多样性的动力学。该研究的共同作者是Maslov实验室的前成员，现任哥伦比亚大学博士后研究员的Purushottam Dixit和现任杜塞尔多夫大学博士后研究员的Tin Yau Pang。Dixit，Pang和Maslov，同时也是Bliss Faculty Scholar和Carl R. Woese基因组生物学研究所和国家超级计算应用中心的成员，澄清了保持细菌物种粘性或驱使它走向的条件。多样性。

这项工作的起源是马斯洛夫和他的同事F. William Studier之间的偶然互动，他是布鲁克海文国家实验室着名的生物学家。研究人员和其他人正在探索不同大肠杆菌菌株的基因组序列，并且通过观察发现两种菌株之间序列差异的数量 - 基因组的某些区域变化显着 - 超过预期的变化而引起了兴趣。

马斯洛夫被这一发现所提出的难题所吸引，并最终帮助该小组得出结论，序列差异很大的区域可以通过重组来解释，这种机制允许细菌细胞从邻居那里获得DNA片段并将它们整合到自己的基因组中。。

“我是一个有计算力的人，所以我的动机不是因为某个领域必然会对问题产生兴趣。所以，如果这是一个谜题，我想尽可能地破解它，”马斯洛夫说。即使在与Studier合作出版后，马斯洛夫继续被这一发现提出的问题所吸引。“我们想要了解细菌物种是如何形成的，以及使它们保持连贯的力量。”

作为一名物理学家，马斯洛夫把这个问题放在宇宙学的术语中：在微生物的范围内，突变，基因组序列中的机会错误如何扩展应变中发现的变异，与重组的结合“重力”相比如何?他和他的共同作者在不断增长的细菌基因组数据公共数据库的帮助下开始回答这个问题。

“在重组事件发生后，两个细菌基因组在一段基因组序列中立即变得相同，这意味着它们在某种意义上更加接近...... [但]如果你有两个细菌序列彼此分开太远，他们只是失去了相互重组的能力，“马斯洛夫说。“我们的目标是试图更全面地了解细菌物种的维护问题。”

马斯洛夫和他的共同作者开发了一个计算模型，该模型捕获了细菌进化的基本要素：群体中个体对之间存在的基因组多样性水平，机会突变率和重组能力。该模型量化了所有这些因素之间的关系，因为它们影响细菌群体内的基因组序列。研究人员发现，这些因素之间的平衡在两个不同的状态 - 亚稳态和分歧 - 之间产生了相当明显的分歧。

“相关的主要参数......是特定基因组生物与其自身物种成员重新组合的频率，以及总体种群大小，因此根据这两个变量，您可以有两种制度，或者马斯洛夫说，在这种情况下，重组发生得非常频繁，以至于你有一个长期存在的连贯物种，或者你有这种状态，它会分裂成亚种。

换句话说，频繁的重组事件可以使细菌群体保持在亚稳状态，即使在许多代的过程中也不太可能发生物种形成。突变率可以超过重组的均质效应的较大群体将快速分化。但马斯洛夫强调，在足够长的时间范围内，物种形成与宇宙的扩张一样不可避免。

“迟早会发生一次异常事故，因为当两个物种之间的遗传距离超过一定阈值时，它们实际上失去了重组的能力，”他说。“新物种将会形成 - 因此更多的问题是我们目前称之为细菌物种的特定实体能活多久。”

通过阐明细菌物种形成的基本特征，这项工作解决了有关进化的基本问题，并最终有助于追踪和预防致病病原体的耐药性或毒力的发展。

郑重声明：本文版权归原作者所有，转载文章仅为传播更多信息之目的，如有侵权行为，请第一时间联系我们修改或删除，多谢。