进化一种解释

本文由 塔拉·罗伯茨大学传媒 & 市场营销

如何挣扎的实验室实验, 一种会尿的细菌和一位好奇的伊利诺伊大学教授正在帮助解答一个生物学之谜

在试图理解退化的进化概念时, 想想混合动力汽车就知道了.

典型的混合动力汽车使用两种不同的动力:天然气和电力. 每种电源在不同的环境下工作效果最好. 小型汽油发动机使汽车在高速公路上行驶, 而电动机则为发动机提供爬坡或加速的动力.

当类似的情况存在于生物学中时, 它被称为退化:生物体, 特别是细菌, 能够进化出两个不同的系统，但目的似乎相同. 但不像混合动力汽车和它的双引擎, 通常不清楚为什么一个生物体有两种方式来达到一个结果.

“我们越来越擅长理解‘什么’,，但我们很难解释“为什么”,“说 克里斯·马克思生物科学副教授 bet365亚洲官网理学院.

这样的例子很少, 马克思说, 科学家们可以说, “这有A和B两种途径:在这种情况下，A是有益的, B是这一项下的收益.”

现在, 马克思和他在哈佛大学的同事们发现了一种普通细菌中两条看似退化的通路背后的“原因”. 他们的研究将发表在6月份的《bet365亚洲官网》杂志上 现已在网上提供.

寻找问题

马克思研究甲基营养细菌, 哪种动物能吃掉只有一个碳原子的化合物, 比如甲醇或甲烷. 它们在自然界中很常见，存在于土壤和植物中，在那里它们吞噬其他生物的副产品.

1998年，他在华盛顿大学读研究生期间开始研究甲基营养体. 从2005年到2013年，马克思在哈佛大学任教期间，他一直在工作, 2014年，他把研究成果带到了犹他大学.

他深入研究了细菌的实际用途——例如，他创立的公司， KnipBio美国的研究表明，它们可以大量种植，晾干后用来喂养鱼. 在莫斯科, 他的学术实验室利用它们进行实验，揭示基本的生理和进化过程. 他的目标包括建立一个甲基营养体代谢途径如何工作的数学模型, 以及未来这些途径的变化将如何转化为增长率的变化.

这样的实验很重要, 马克思说, 因为它们是提高科学家预测进化结果相对概率能力的第一步.

“原则上, 它将使我们能够考虑在给定的环境中，生物体的哪些方面最容易受到选择, 以及它是否可能观察到少数或许多可能的结果,马克思说. “在实践中, 这将产生巨大的影响，从预测癌症或疾病的未来, 生物体适应变化世界的能力.”

他的最新发现始于试图改进实验室进行这些进化实验的系统.

为了准确地同时跟踪许多人群的表现, 马克思转而使用机器人系统来测量细菌的生长. 因为在这种条件下甲醇蒸发得太快了, 马克思决定开始给它喂甲胺, 一种类似但挥发性较低的化合物. 他还决定用不同的, 但在这种情况下，一种密切相关的细菌不再聚集, 这样就更容易研究了.

但当他试图进行实验时，却没有成功.

马克思说:“事实证明，这种更好的菌株在甲胺上生长得很糟糕。.

马克思放大了细菌将甲胺转化为细胞物质的方法. 甲基营养体有两种可能的方式来分解甲胺:一种主要发生在细菌内部，提供较少的能量——我们称之为内部途径. 第二个, 户外小径, 使用不同的步骤, 提供更多的能量，主要发生在细菌的内外膜之间.

马克思试图研究的菌株只有内部路径，就像自然界中许多甲基营养体一样. 没有甲基化营养体有单独的外部通路. 但有些人，包括马克思研究过的其他人，两者都有.

这就引出了混合动力汽车的问题.

“为什么做事要有两种方式?马克思说. “这个实验最初只是为了改进我们在实验室里进行进化的方式, 它变成了, “为什么这在自然界中会以这种方式存在??’”

放大

开始理解为什么这两条路有时同时存在, 马克思和他的研究团队必须了解这些路径的个人目的.

他们从早期的研究中了解到，外部通路允许甲基营养体在甲胺的作用下茁壮成长.

但是Inside Path呢? 当它在帮助甲基营养体吃掉甲胺并生长方面做了如此糟糕的工作时，它为什么会存在呢?

马克思培养了两种“内部路径”细菌，它们不能在甲胺上生长. 在几十代只喂甲胺之后，它们都开始缓慢生长.

通过 基因组学 & 生物信息学资源核心，一个由 跨学科数据科学研究所(IIDS)他对这两种菌株的全部DNA碱基或基因组进行了测序.

基因组揭示了两件有趣的事情. 第一个并不令人意外, 马克思说:“这两种菌株都有突变，使它们能够更好地利用内部路径来处理甲胺.

第二个是出乎意料的:马克思发现他的菌株含有突变，这些突变似乎增加了它们摆脱氨的能力.  

当甲基营养体处理甲胺时，它们会留下多余的氮，变成氨. 在外通路的甲基营养体中，氨只是扩散走了. 但它在内径细菌中积累到有毒的量.

马克思的一种菌株突变了一种可以降低细胞pH值的蛋白质, 哪一种可以抵消过量氨的影响. 另一组开始以尿素的形式释放氮——尿液的主要成分.

“这是我们能想到的第一个细菌会撒尿的例子，”马克思说.

所以，马克思知道只有内径细菌才能靠甲胺生存，但它们很挣扎. 但如果外部途径的效果如此之好，为什么不是所有的甲基化营养体都有一个呢? 为什么他们还有内路?

如果电动机不能工作，为什么还要麻烦地安装燃气发动机和电动机呢?

发现答案

答案就在氮气里.

像所有生物一样，甲基营养体需要一些氮来生存. 但, 正如马克思所见, 内部路径细菌与过多的氮作斗争, 导致氨气积聚.

但如果有时候这条路是获得氮的唯一途径呢?

马克思和他的同事们假设，当细菌处于有其他碳源的环境中时，内部路径可能很重要, 但除了低浓度的甲胺，没有其他氮源. 实验室测试证实了这一想法:这种细菌吃了一种不含氮的化合物后茁壮成长，并利用“内部路径”将少量的甲胺转化为健康量的氮.

这一发现反过来又使研究人员能够解释这两条路径的存在.

“我们能够弄清楚这一切在自然界中意味着什么，”马克思说.

从马克思之前监督的一个项目中，对几个基因组进行测序 Methylobacterium, 他们知道内部路径存在于所有菌株中. 但是外部路径是分开发展的, 它至少三次被能在甲胺上快速生长的菌株获得.

他们得出结论，在自然界中, 只有生活在以甲胺为能量的环境中的甲基营养体才有进化优势来获得和维持外部路径. 但所有菌株都含有“内部路径”机制，在食用其他化合物的同时，利用甲胺作为氮源.

就像混合动力汽车一样，这两种电源在最需要的时候就会发挥作用.

前进

马克思的发现促进了关于进化基本原理的全球讨论, 但这也有助于他在bet365亚洲官网的研究.

在发现这两条路径存在的原因之后, 马克思发现，将外部路径的DNA添加到只有内部路径的细菌中是非常容易的. 他可以在一个叫做质粒的自由移动的DNA环上编码外部路径, 将质粒插入只在内部通路内的细菌中，立即产生一种对甲胺繁盛的菌株. (虽然质粒转移在自然界中发生，但其结果通常不会那么快.)

这就提出了马克思想要探讨的一系列问题.

“用我们新的消耗甲胺的超级明星菌株, 我的实验室正在进行进一步的实验,他说. 毫无疑问，更多的惊喜还在等着我们.”