Ученые бросили вызов давней уверенности в непредсказуемости эволюции. Они обнаружили, что на эволюционную траекторию генома может влиять его эволюционная история, а не многочисленные факторы и случайности.

"Последствия этого исследования являются не чем иным, как революционными, — говорит ведущий автор работы, профессор Джеймс МакИнерни. — Демонстрируя, что эволюция не так случайна, как когда-то считалось, мы открыли дверь множеству возможностей в синтетической биологии, медицине и науке об окружающей среде".

Команда провела анализ пангенома — полного набора генов внутри конкретного вида, чтобы ответить на важнейший вопрос о том, предсказуема ли эволюция или нет. 

Используя подход машинного обучения, известный как метод случайного леса, а также набор данных из 2500 полных геномов одного вида бактерий, команда уделила несколько сотен тысяч часов компьютерной обработке, чтобы решить этот вопрос. После загрузки данных в свой высокопроизводительный компьютер, ученые сначала создали "семейства" из каждого гена каждого генома. Затем, команда проанализировала закономерности.

"Мы обнаружили, что некоторые семейства генов никогда не появлялись в геноме, когда там уже присутствовало какое-то другое семейство,  — рассказывает Мария Роза Доминго-Сананес из Университета Ноттингем Трент. — В других случаях они очень сильно зависели от присутствия другого семейства".

По сути, исследователи обнаружили невидимую экосистему, в которой гены могут сотрудничать или конфликтовать друг с другом.

"Эти взаимодействия делают аспекты эволюции в некоторой степени предсказуемыми. Более того, теперь у нас есть инструмент, который позволяет делать такие прогнозы", — добавляет Доминго-Сананес.

"На основе этой работы мы можем начать исследовать, какие гены "поддерживают", например, устойчивость к антибиотикам. Следовательно, если мы пытаемся ее устранить, мы можем нацеливаться не только на очаговый ген, но и на поддерживающие его гены, — объясняет Алан Биван из Школы наук о жизни Ноттингемского университета. — Мы можем использовать этот подход для синтеза новых видов генетических конструкций, которые можно было бы использовать для разработки новых лекарств или вакцин. Это знание дает возможность сделать целый ряд других открытий".

По мнению исследователей, их работа имеет далеко идущие последствия и может привести к тому, что ученые смогут создавать синтетические геномы, предоставляя план для предсказуемого манипулирования генетическим материалом. 

Кроме того, вероятно появится возможность разработки микроорганизмов, предназначенных для улавливания углерода или разложения загрязняющих веществ. Это поможет усилиям по борьбе с изменением климата. Также предсказуемость взаимодействия генов может произвести революцию в персонализированной медицине, предоставив новые показатели риска заболеваний и эффективности лечения.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.