24 февраля 1988 года эволюционный биолог Ричард Ленски наполнил 12 колб сахаросодержащей культуральной средой и засеял каждую колбу Escherichia coli.
В течение последних 34 лет Ленски из Мичиганского университета и его коллеги ухаживали за культурами бактерий, ежедневно обновляя ростовую среду и каждые пару месяцев замораживая образцы для дальнейшего изучения. Эксперимент по долгосрочной эволюции (LTEE) стал краеугольным камнем в эволюционной микробиологии, который исследователи продолжают проводить в поисках новых знаний. За 75 000 поколений бактерии добились огромных успехов в своей приспособленности - скорости роста по сравнению с другими бактериями - и развили некоторые удивительные черты.
В прошлом месяце Ленски и его лаборатория в последний раз позаботились о LTEE. 12 линий E. coli теперь заморожены в криозащитной среде и вскоре будут возрождены, чтобы начать новую жизнь в лаборатории Джеффри Баррика, эволюционного биолога из Техасского университета, который начал работать над экспериментом в 2000-х годах в качестве постдока в лаборатории Ленски.
В беседе с журналом Nature оба исследователя рассказали о прошлом, настоящем и будущем одного из самых продолжительных экспериментов в микробиологии.
Что вдохновило вас начать эксперимент?
Ричард Ленски: Мне нравятся большие вопросы. Я хотел провести очень простой и длительный эксперимент, чтобы выяснить, насколько повторяема эволюция. Первоначальная цель была 2000 поколений. И я решил, что это заслуживает названия "долгосрочный эксперимент по эволюции". Я не представлял, что он будет продолжаться так долго, как он продолжается на самом деле, и, надеюсь, будет продолжаться гораздо дольше.
Почему вы продолжали его - и продолжали, и продолжали?
Ленски: На самом деле этот эксперимент очень легко поддерживать. Объем работы для человека в обычный день составляет, может быть, полчаса. Конечно, в году 365 дней, но в принципе ежедневный объем работы не так уж велик. И, конечно, со временем бактерии стали делать очень интересные вещи. Появились новые технологии, например, возможность дешевого секвенирования геномов. Такие люди, как Джефф, присоединились к лаборатории и привнесли новые идеи и вопросы. А бактерии продолжали делать интересные вещи. Я понял, что это должно продолжаться так долго, как это только возможно для человека.
Сколько поколений сменилось, когда Джефф начал работать над экспериментом?
Ленски: Ты присоединился к лаборатории примерно в 2007 году? Возможно, это было около 40 000 поколений.
Джеффри Баррик: Похоже на то. Я знал меньше об истории эксперимента - возможно меньше, чем многие из постдоков и аспирантов Рича. Но в тот момент в моей карьере я изучал эволюцию на молекулярном уровне, рассматривая всевозможные геномы бактерий. Я хотел изучать эволюцию целых организмов в лаборатории и иметь возможность наблюдать за эволюцией. Это было то, что меня увлекало с тех пор, как я был студентом.
Было ли когда-нибудь трудно продолжать эксперимент?
Баррик: Как сказал Рич, это довольно просто. Бывают проблемы, которые могут сделать его иногда сложным, но вы всегда можете вернуться в морозильную камеру, что является одной из действительно хороших особенностей эксперимента и делает его гораздо более выполнимым, чем другие эксперименты. Люди пытались проводить долгосрочные эксперименты с мышами, мухами и другими организмами, где очень сложно, если что-то пойдет не так.
Ленски: Одно из преимуществ долгосрочного эксперимента в том, что все очень просто. Мы работаем с химически определенной средой, мы можем замораживать штаммы и оживлять их, так что, если постучать по дереву, я думаю, все должно продолжаться довольно гладко в новой лаборатории.
Чему научил нас этот эксперимент в отношении повторяемости эволюции?
Ленски: В ходе эксперимента я полагал, что все штаммы пойдут в совершенно разных направлениях. Я думал, что роль случайности и непредвиденных обстоятельств в эволюции будет больше, чем на самом деле. Но за эти годы мы увидели просто поразительную воспроизводимость. Так, хотя типичная линия улучшила свою относительную приспособленность по сравнению с предком на 70% или 80%, разброс в конкурентной приспособленности между большинством линий составляет всего несколько процентов. Таким образом, все они сильно выросли, но очень похожи друг на друга.
Но затем, с течением времени, мы стали наблюдать довольно поразительные расхождения между линиями. Через 30 тысяч поколений после начала эксперимента одна из 12 линий развила способность потреблять цитрат, а не только глюкозу. Это привлекло большое внимание и даже некоторую, скажем так, враждебность со стороны некоторых ученых, скептически относящихся к силе эволюции. И после 75 000 поколений это единственная из 12 линий, у которой развилась такая способность.
Есть ли какие-то важные вопросы об эволюции, на которые вы надеетесь ответить с помощью более длительных исследований?
Баррик: У многих бактерий, которые оказались в простой, постоянной среде - особенно у простых эндосимбионтов, живущих внутри клеток насекомых, - их геномы постепенно уменьшаются со временем. И я бы сказал, что одна из самых удивительных вещей для меня заключается в том, что эти E. coli находились в очень постоянной среде, но их геномы не очень сильно сократились.
Ленски: Я думаю, что часть проблемы сокращения генома заключается в том, что это медленный процесс. Тридцать лет и 75 000 поколений - это капля в эволюционном море. Поэтому я бы предположил, что если бы мы могли вернуться - через миллион лет или как угодно, - у бактерий, вероятно, геномы были бы чрезвычайно уменьшены. Это причина для продолжения работы.
Почему вы решили передать эстафету LTEE?
Ленски: Я не собираюсь быть рядом всегда. Я думаю, что лучше делать эти вещи сейчас, планировать их тщательно и вдумчиво. Так что это просто имело смысл. Мне 65 лет, и хотя я не планирую уходить на пенсию в ближайшие несколько лет, моя лаборатория становится все меньше. А одна из важных вещей для поддержания долгосрочных линий - это ежедневный ритм. Я думаю, что лаборатория, в которой работает полдюжины или больше человек, идеально подходит для работы в выходные и праздничные дни, от которой эксперимент только выигрывает.
Поэтому я попросил Джеффа, возможно, в 2018 или 2019 году. У меня есть грант Национального научного фонда на проведение эксперимента, и Джефф сейчас является одним из главных исследователей по нему. И когда мы писали последнее продление, мы изложили этот план по передаче и что это произойдет примерно сейчас.
Почему Джефф взялся за это?
Баррик: Я большой сторонник открытой науки. Это отличный ресурс, который я хочу поддержать, разделить и продолжить. Он стал своего рода общей точкой отсчета для многих историй об эволюции бактерий. И это то, что люди могут использовать в самых разных направлениях. Я рад поддержать это начинание.
Не боитесь ли вы брать на себя ответственность за такой длительный эксперимент?
Баррик: Как сказал Рич, поддерживать эксперимент не очень сложно. Что становится сложным, так это упорядочить все штаммы в морозильной камере, убедиться, что их можно отправить людям, и вся бумажная работа, связанная с подобными вещами.
Я не хочу столкнуться с проблемой контаминации после двух или трех лет работы. Я хочу быть уверенным в том, что продолжаю все очень хорошо. Но большая часть напряжения снята, потому что все заморожено, не только в лаборатории Рича и моей лаборатории, но и в лабораториях во Франции и других местах. Так что это снимает с меня ответственность за то, что я могу создать непоправимую проблему. Поэтому я с большим воодушевлением рассказываю своим коллегам об эксперименте.
Рич, что вы посоветуете Джеффу?
Ленски: Сохраняй спокойствие и продолжай. Неприятные вещи будут случаться. Но эксперимент довольно щадящий. Пока мой мозг работает, я буду с большим интересом наблюдать за новыми экспериментами, которые ты и твои соавторы будут проводить, за новыми анализами, которые ты и более широкое сообщество будут проводить, чтобы понять, что происходит с долгосрочными линиями. Вероятно, самое важное, о чем Джеффу придется задуматься через 20 или 30 лет, - кто следующий?
Баррик: Твоя работа еще не закончена, Ричард. Ты все еще лучший научный консультант и человек, способный донести до людей информацию о долгосрочном эксперименте по эволюции и создать это сообщество. На самом деле это самое пугающее, что никто не может в настоящее время тебя заменить.
