Грибы из сырной пещеры раскрывают механизмы генетических мутаций, приводящих к быстрым эволюционным изменениям

от

Многие научные открытия происходят случайно. Наблюдение за эволюцией в действии в сырной пещере стало именно таким случаем для Бенджамина Вулфа, доцента биологии, и его коллег.

В 2016 году Вулф убедил своего бывшего научного руководителя поехать с ним на ферму Jasper Hill в Вермонте, чтобы взять образцы особого сыра под названием Bayley Hazen Blue. Это был повод для её бойфренда сделать предложение руки и сердца в месте, где они впервые встретились. Вулф оставил этот сыр в морозильной камере своей лаборатории: «Я известен тем, что не выбрасываю образцы на случай, если они нам понадобятся».

Но когда аспирант Николас Лоу взял недавние образцы Bayley Hazen Blue из пещер Jasper Hill — больших влажных помещений, вырубленных в склонах холмов, — он обнаружил, что сыр, ранее покрытый зелёным слоем плесени, теперь был снаружи chalk white (мелоподобно-белым).

«Это было действительно захватывающе, потому что мы подумали, что это может быть примером эволюции, происходящей прямо на наших глазах», — сказал Вулф. «Микробы эволюционируют. Мы знаем это по эволюции устойчивости к антибиотикам, мы знаем это по эволюции патогенов, но мы обычно не видим, как это происходит в определённом месте с течением времени в естественных условиях».

Вулф и его коллеги опубликовали результаты своего исследования в журнале Current Biology.

Понимание того, как грибы адаптируются к различным условиям, может помочь нам в решении проблем продовольственной безопасности и здравоохранения, — говорит Лоу. «Примерно 20% основных сельскохозяйственных культур теряется до сбора урожая из-за грибковой гнили, и ещё 20% — после сбора», — сказал он. «Это включает в себя заплесневелый хлеб в вашей кладовой и гниющие фрукты на полках магазинов. Самая большая угроза для глобальной продовольственной безопасности — это просто гниль от плесени».

Эволюционные изменения грибов

Когда колёса сыра оставляют созревать в естественных или искусственных условиях пещер, на их поверхности образуются микробные корки, состоящие из сообществ бактерий, дрожжей и нитевидных грибов (плесени). Эти дикие микробы попадают из почвы, растений и морской среды и в конечном итоге колонизируют и адаптируются к условиям сырных пещер.

Что заставило грибы Penicillium solitum на сырах Jasper Hill изменить цвет? Ответ нашёл студент одного из курсов Вулфа по микробиологии — Джексон Ларли. Он обнаружил, что изменение было вызвано нарушением работы гена под названием alb1.

«Alb1 участвует в производстве меланина», — объяснил Лоу. «Вы можете думать о меланине как об armour (броне), которую организмы создают для защиты от ультрафиолетового излучения. Для грибов это создаёт зелёный цвет, который поглощает ультрафиолетовый свет. Если вы растёте в тёмной пещере и можете обойтись без меланина, имеет смысл избавиться от него, чтобы не тратить драгоценную энергию на его производство».

Процесс, называемый «ослабленным отбором», происходит, когда устраняется стрессор окружающей среды. Это случается со многими организмами, когда они адаптируются к тёмным условиям — от мексиканских пещерных рыб до саламандр и некоторых насекомых. Почти всегда это потеря пигментов и меланина. Некоторые существа слепнут, но увеличивают свою способность ощущать пищу другими способами.

Лаборатория Вулфа получила возможность выявить генетические механизмы, которые привели к небольшим эволюционным изменениям. «Мы обнаружили, что изменение было вызвано не одной мутацией, которая распространилась по всей колонии, а изменением цвета, которое произошло в результате множества типов мутаций независимо», — сказал Лоу.

Некоторые грибы имели точечные мутации — изменения в одной паре оснований ДНК — в разных местах генома. Другие имели большую вставку ДНК, вызванную так называемым «подвижным элементом». Подвижные элементы, когда-то называемые «прыгающими генами», появляются в одном месте и встраиваются в другое в геноме.

В этом случае подвижные элементы встраивались перед геном alb1, что нарушало его экспрессию, фактически выключая его. Подвижные элементы могут нанести большой вред, но на этот раз для грибов было выгодно отказаться от производства меланина, что позволило им сэкономить энергию для роста. Таким образом, белые колёса сыра в пещере Jasper Hill стали результатом этих эволюционных изменений.

Грибы рода Aspergillus принадлежат к тому же семейству, что и Penicillium. Они встречаются в почве, на разлагающихся растениях, в домашней пыли и вентиляционных системах, а также в больших количествах в воздухе. В большинстве случаев они безвредны, но некоторые штаммы могут вызывать тяжёлые лёгочные инфекции. Понимание того, как они адаптируются к местным условиям и закрепляются в лёгочной среде, могло бы помочь исследователям понять и предотвратить эти инфекции.

Пока лаборатория Вулфа в сотрудничестве с фермой Jasper Hill изучает ещё одно преимущество эволюции и одомашнивания грибов — создание новых видов сыра с улучшенными эстетическими свойствами, вкусом и текстурой. Они заразили свежий сыр бри новой белой плесенью и позволили ей расти и созревать в течение двух месяцев.

Результат: «Он немного более ореховый и менее специфический», — сказал Лоу. «Я думаю, что это вкусно». На основе дегустации выяснилось, что новый сыр имеет многообещающие свойства, которые будут дополнительно усовершенствованы в будущих партиях сыра на ферме Jasper Hill.

«Наблюдение за эволюцией диких плесеней прямо на наших глазах в течение нескольких лет помогает нам думать, что мы можем разработать надёжный процесс одомашнивания, чтобы создать новое генетическое разнообразие и использовать его для производства сыра», — сказал Вулф.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте