Evolution av nya gener i laboratoriet i realtid

Hur nya gener uppstår är en grundläggande biologisk fråga. Nya resultat från forskare vid Uppsala universitet och USA visar att man i laboratoriemiljö kan få nya gener att utvecklas genom en mycket snabb, stegvis process där redan existerande gener med flera funktioner till en början amplifieras. De amplifierade kopiorna förändras efterhand genom mutationer och utvecklar nya specialiserade funktioner.

I den aktuella studien som nu publiceras i Science har forskarna experimentellt testat en specifik modell (presenterad i PNAS 2007) som förklarar hur nya gener uppstår. I modellen har en ursprungsgen, förutom sin starka normala huvudaktivitet, en svag sekundär aktivitet. Om denna extra aktivitet blir viktig, till exempel på grund av att organismens miljö förändras, så kan antalet kopior av ursprungsgenen öka mycket snabbt i en organisms population. Exempel på miljöförändringar skulle kunna vara att organismen exponeras för ett giftigt ämne (till exempel antibiotika, herbicider, insekticider) som den på något sätt måste kunna oskadliggöra för att överleva. Ökningen av antalet genkopior ökar också sannolikheten för att mutationer selekteras fram som leder till att sekundärfunktionen förbättras. Efter att dessa mutationer uppstått så kan de extra kopiorna försvinna och kvar finns slutligen två gener, en ursprungskopia med sin normala funktion och en genkopia med förbättrad sekundärfunktion.

Modellen testades i laboratoriet av forskaren Joakim Näsvall genom att en bifunktionell gen inblandad i syntesen av två aminosyror, tryptofan och histidin, selekterades fram. Bakterier med denna gen växtes sen i tillväxtmedium som saknade båda aminosyrorna vilket ledde till selektion av genamplifiering av upp till 20 kopior av samma gen. Senare uppstod mutationer som specialiserade olika genkopior till att antingen bli bättre på tryptofan- eller histidinsyntes, eller i vissa fall bättre på båda reaktionerna.

- Joakim Näsvalls övertygande experimentella resultat ger starkt stöd för vår tidigare föreslagna modell. De visar hur nya gener kan uppstå efter bara några tusen generationer av bakterietillväxt, motsvarande cirka ett år i realtid, i laboratoriet om lämpliga selektionstryck finns, säger professor Dan Andersson, ansvarig för studien.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet.

För information om denna forskning vid Uppsala universitet kontakta Dan Andersson, e-post: Dan.Andersson@imbim.uu.se, telefon: 070-1679077 eller Joakim Näsvall, e-post: Joakim.Nasvall@imbim.uu.se, telefon: 070-6972236