Evolutionens selektionstryck beräknat för första gången

Det räcker med så lite som en hundradels procent sämre “fitness” för att en bakterie ska förlora konkurrensen under evolutionen. För första gången har forskare lyckats beräkna selektionstrycket och resultaten publiceras idag i den ansedda tidskriften PLoS Genetics.

Darwins evolutionsteori introducerade begreppet "survival of the fittest". Vid varje generation överlever de mest välanpassade individerna och detta är en viktig kraft som formar den biologiska världen vi ser idag. Selektion kan förklara varför en gepard springer snabbt - geparden som är snabbast kan fånga mat för att föda sina ungar. De som inte springer lika fort får mindre mat och färre ungar överlever. Selektion väljer geparder som kan springa fort. Men hur stor måste skillnaden vara innan valet sker? Frågan ställdes av två forskare vid Uppsala universitet, doktorand Gerrit Brandis och professor Diarmaid Hughes.

Brandis och Hughes använde Salmonella (en bakterie som orsakar infektioner hos människor och djur) för att mäta effekten av selektion att välja de starkaste individerna. Salmonella liknar djur som geparder i den meningen att de konkurrerar om mat och är under intensiv press att använda denna mat för att växa lika snabbt eller snabbare än de andra individerna i samma miljö. Evolution väljer de snabbast växande varianterna.

För att växa måste bakterier, liksom alla levande organismer, översätta sin genetiska kod till aminosyror som binds ihop för att göra proteiner. Översättningens hastighet avgör hur snabbt Salmonella kan växa. Översättningen är en av de äldsta biologiska processer som finns och har utsatts för selektion under miljarder år på jorden.

Den genetiska koden har flera olika "kodon" som kan översättas till samma aminosyra. För vissa aminosyror kan det finnas upp till sex olika kodon. Brandis och Hughes undrade om de specifika kodon som används för att producera EF-Tu, ett av de viktigaste proteinerna för Salmonella, hade någon betydelse.

Brandis och Hughes gjorde förändringar för många olika kodon och visade att om man ändrar ens ett enda kodon i genen för detta protein till något av dess "synonyma" kodon minskade Salmonellas tillväxthastighet. De specifika kodon som faktiskt används av Salmonella är de allra bästa, och varje förändring minskade Salmonellas “fitness”.

Brandis och Hughes kvantifierade kostnaden för bakterierna att använda synonyma kodon i denna gen till 0,01 procent per generation. Denna lilla kostnad i tillväxt är tillräcklig för att evolutionen ska välja den "bättre" DNA-sekvensen och orsakar vad som kallas "codon usage bias" - den utbredda användningen av vissa prefererade kodon för att göra högt uttryckta proteiner. Codon usage bias finns i nästan alla snabbväxande organismer, inklusive bakterier och jästsvampar som orsakar infektioner hos människor. Evolutionen har format proteinsyntesen så att organismer har högsta möjliga tillväxthastighet - inte nödvändigtvis bra för oss, men bra för överlevnaden av bakterier och jäst.

Reference: The Selective Advantage of Synonymous Codon Usage Bias in Salmonella. PLoS Genetics, DOI: 10.1371 / journal.pgen.1005926

För mer information, kontakta Diarmaid Hughes, mobil: 073-6749343, diarmaid.hughes@imbim.uu.se eller Gerrit Brandis, mobil 0730-445774, gerrit.brandis@imbim.uu.se