Nya gener från ingenting

En viktig fråga inom evolutionsbiologin är hur nya gener uppstår och utvecklas. I en ny studie visar svenska forskare hur nya gener och funktioner som är fördelaktiga för bakterier kan sållas fram från ett slumpmässigt urval DNA-sekvenser. Resultaten presenteras i den vetenskapliga tidskriften mBio.

Hur uppstår och utvecklas nya gener och funktionella proteiner? Det är en av de mest fundamentala frågorna inom evolutionsbiologin. Två olika typer av mekanismer har föreslagits: (1) nya gener med nya funktioner uppstår från existerande gener, samt (2) evolution av nya gener och proteiner från slumpmässiga DNA-sekvenser som inte har någon likhet med existerande gener och proteiner. I det aktuella arbetet har forskarna studerat den andra typen av mekanism, det vill säga evolution av nya gener och proteiner från randomiserade DNA-sekvenser, så kallad de novo evolution. Det är ganska enkelt att förstå att när man redan har ”någonting” så kan det modifieras och få en ny funktion, men hur går man från ”ingenting” till en funktion som innebär en liten fördel och därmed gynnas av det naturliga urvalet?

Råmaterialet för försöket var ett jättebibliotek med cirka 500 miljoner randomiserade gensekvenser varifrån man identifierade peptidsekvenser som har en biologisk funktion. I försöket sattes slumpmässiga gensekvenser på en plasmid, överuttrycktes, och sen undersökte man om de kunde tillföra bakterien en viss specifik egenskap. Kunde de till exempel ge bakterien antibiotikaresistens? Forskarna identifierade flera korta peptider (22-25 aminosyror långa) som kunde göra bakterien höggradigt resistent mot aminoglykosider, en viktig klass av antibiotika som används för allvarliga infektioner.

- När projektet påbörjades hade vi låga förväntningar och vi blev mycket förvånade när vi hittade peptider som kunde ge en 48-faldig ökning i resistensnivån, säger dr. Michael Knopp, studiens förstaförfattare.

Genom en kombination av genetiska och funktionella experiment kunde man visa att peptiderna orsakar resistensen genom att de fastnar i bakteriens cellmembran och påverkar protonpotentialen över membranet. Störningen i protonpotential leder till att upptaget av antibiotika minskas och bakterien blir resistent.

- Denna studie är viktig därför att den visar att helt slumpmässiga sekvenser av aminosyror kan ge upphov till nya och fördelaktiga funktioner och att denna process av de novo-evolution kan studeras experimentellt i laboratoriet, säger Dan I. Andersson, professor i medicinsk bakteriologi och huvudansvarig för studien.

För mer information om denna forskning vid Uppsala universitet, kontakta Dan Andersson,
tel: 018-471 4175, e-post: Dan.Andersson@imbim.uu.

De Novo Emergence of Peptides That Confer Antibiotic Resistance, Michael Knopp, Jonina S. Gudmundsdottir, Tobias Nilsson, Finja König, Omar Warsi, Fredrika Rajer, Pia Ädelroth, Dan I. Andersson, mBio Jun 2019, 10 (3) e00837-19; DOI: 10.1128/mBio.00837-19

Forskningen har finansierats av Wallenbergstiftelsen (projektet: Evolution av nya gener och proteiner) och Vetenskapsrådet (medicin och hälsa).