В последнем выпуске научного журнала PLOS Genetics три исследовательские группы из Instituto Gulbenkian de Ciencia (www.igc.gulbenkian.pt) (IGC; Португалия), возглавляемые Изабель Гордо, объединили усилия, чтобы впервые раскрыть, как бактерии Escherichia coli (E. coli), один из первых видов, колонизирующих кишечник человека при рождении, приспосабливаются и развиваются в кишечнике мыши. Исследователи показали, что кишечная палочка с различными полезными мутациями быстро появляется, и, следовательно, со временем у этого вида возникает большая генетическая изменчивость. Их результаты раскрыли сложный слой микробиоты кишечника, который до сих пор был неизвестен. Это исследование демонстрирует, насколько богата эволюционная динамика каждой бактерии у здорового животного, и будет способствовать разработке новых стратегий борьбы с болезнями путем манипулирования кишечными микробами.
Чарльзу Дарвину было неизвестно, что процесс естественного отбора, который он вывел из наблюдения за разнообразием окружающего его мира, мог происходить внутри его собственного тела. В течение нескольких лет изучалась эволюция бактерий в чашках Петри, которые представляют собой искусственно созданную среду.
Лаборатории Изабель Гордо, Карины Ксавьер и Джоселин Деменгеот в IGC объединили свои знания в области эволюции, микробиологии и иммунологии, соответственно, и приступили к изучению эволюции кишечной палочки в ее естественной среде: кишечнике. Они кормили мышей кишечной палочкой и анализировали фекалии мышей на наличие мутаций, возникших в ходе бактериальной эволюции в кишечнике. Их результаты показывают, что происходит много полезных мутаций, и бактерии, несущие различные мутации, конкурируют за фиксацию в кишечнике. Процесс эволюции является результатом этого непрерывного соревнования, в котором наблюдается большое разнообразие штаммов E. coli.
Чтобы определить гены, важные для адаптации к кишечнику, исследователи проанализировали генетически возникшие штаммы E. coli. Их результаты указали на инактивацию специфических генов, позволяющую бактериям лучше расти в присутствии продуктов, вырабатываемых метаболизмом хозяина. Они также сообщили об изменениях генов, регулирующих анаэробное дыхание (процесс, необходимый в среде с низким содержанием кислорода, такой как кишечник). Исследователи обнаружили, что, несмотря на высокую сложность изучаемой природной среды — кишечника — эволюционный процесс был хорошо воспроизводимым, поскольку одни и те же мутации произошли в популяциях E. coli, развивающихся у разных мышей.
«Замечательно, что мы можем изучать эволюцию с таким уровнем количественной точности в одной из самых сложных сред, когда-либо существовавших», — говорит Изабель Гордо. «Конкурентная война, которая, как представляется, происходит между появляющимися новыми штаммами данного вида, должна быть дополнительно интегрирована с вариациями, наблюдаемыми между различными видами, населяющими кишечник с течением времени. Несомненно, это открывает возможности для многих интересных будущих исследований в области экологии. и эволюция как у здоровых, так и у нездоровых хозяев ».
Карина Ксавьер добавляет: «Что больше всего меня удивило в этих экспериментах, это, во-первых, то, как быстро эти бактерии развиваются внутри мыши и, следовательно, внутри нашего тела, и, во-вторых, насколько воспроизводимым был эволюционный путь. и каждый раз, когда мы повторяем этот эксперимент, мы сможем точно определить основные факторы, контролирующие микробиоту в нашем кишечнике, — это пища, которую мы едим, наша иммунная система или микробы, с которыми мы сталкиваемся в окружающей среде ».Джоселин Деменгеот говорит: «Большинство современных исследований в области эволюции и экологии бактерий до сих пор проводятся in vitro в чашках Петри. Наша долгосрочная задача, которая здесь доказана, выполнимая, состоит в том, чтобы переместить эти поля в физиологическую ситуацию, то есть в естественных условиях. экспериментирование на позвоночных.
Что касается других областей биомедицинской науки, этот подход необходим для того, чтобы идти научными путями, в конечном итоге ведущими к применению для здоровья и болезней ".Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом в рамках Седьмой рамочной программы Европейского сообщества, Медицинским институтом Говарда Хьюза (HHMI; США) и Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT; Португалия).