מבנה הגנום – כיצד גנים מאורגנים בתוך רצפי DNA באורגניזם – הוא בסיסי לתהליכים ולתפקודים של אורגניזמים. צוות באוניברסיטת טוקיו פיתח מערכת לשליטה ולהאיץ את התפתחות השינויים במבנה הגנום החיידקי, וממוקד "גנים קופצים" קטנים, או רצפי DNA המכונים רצפי הכנסה.
רוב מה שאנחנו יודעים על אבולוציה נובע מללמוד העבר. אבל אירועים מסוימים, כמו מקורם של מיטוכונדריה או אברונים אחרים, משאירים מעט עקבות, מה שמקשה לשחזר את האופן בו הם קרה. מצד שני, ניסויים המתפתחים אורגניזמים במעבדה כוללים בדרך כלל רק שינויים גנטיים קטנים. המחקר שלנו מגשר על פער זה על ידי האצת התפתחות הגנום בחיידקים, ומאפשר לנו לצפות ישירות בשינויים בקנה מידה גדול במבנה הגנום. "
יוקי קאנאי, אוניברסיטת טוקיו
החוקרים חוקרים לעתים קרובות גנומים חיידקיים, עם גודלם ועקביות קטנים יחסית, שימושיים למודל שינויים בפיזיולוגיה, אקולוגיה והתפתחות. רצפי הכניסה (ISS) ידועים כ"קפיצים "או משנים את מיקומו בגנום, והם נהגים דרסטיים של שינוי אבולוציוני במבנה הגנום החיידקי. שינויים כאלה יכולים לגרום למוטציות או להיפוךם ולשנות את זהות הגנום או גודל.
בתנאים רגילים, הקצב האיטי והתנאים הסביבתיים המשתנים מציבים מגבלות על בידוד התפקיד המדויק של ISS באבולוציה. ב Escherichia coli ((א. קולי), אורגניזם מודל שנחקר באופן נרחב החשוב לביוטכנולוגיה ומיקרוביולוגיה, הוא טרנספוזיציה מתרחשת בדרך כלל פעם בשנה (או כל כמה אלפי דורות). קאנאי והצוות העלו דרך להאיץ את השינויים על ידי הצגת עותקים מרובים של ISS בפעילות גבוהה א. קוליו
מקור ההשראה לשיטה שלהם הגיע משיתוף פעולה מקרי עם חוקרים החוקרים את התפתחות חרקים, קנאי מספר. "חלק מחיידקים הקשורים לחרקים יש גנומים זעירים, עשירית מגודל של קרובי משפחתם החופשיים, המכילים 'גנים קופצים' רבים הנקראים טרנספוזונים. הטרנספוזונים הללו אולי סייעו לכווץ את הגנום על ידי חיתוך ודאגה מחדש של DNA.
בניסויים, האורגניזמים של הבדיקה צברו במהירות שינויים ב- DNA שלהם – כ -25 הכנסות חדשות של יסודות גנטיים ניידים ובעל עלייה או ירידה של 5% בגודל הגנום – תוך 10 שבועות בלבד, שיעור הדומה למה שקורה בדרך כלל לאורך עשרות שנים. יחסי הגומלין המתגלים של מחיקות קטנות ותכופות ושכפולים גדולים נדירים מעדכנים את הנוף של הפחתת הגנום כתוצאה פשוטה של הטיה למחיקה לתמונה ניואנסית יותר שלוקחת בחשבון הרחבות חולפות. הפעילות הגבוהה היא שהביאה לגרסאות מבניות והופעתה של טרנספוזונים מורכבים, מה שמאיר מסלולי אבולוציה פוטנציאליים עבור ISS וטרנספוזונים מורכבים.
התוצאות מספקות התייחסות מדהימה ללימוד השפעות כושר של הכנסות IS, שינויים בגודל הגנום וסידור מחדש בניסויי מעבדה עתידיים. "באופן בלתי צפוי", העיר קאנאי, "המחקר שלנו שופך אור גם על התפתחות הטרנספוזונים עצמם. אלמנטים גנטיים ניידים אלה ידועים היטב בעיצוב גנום חיידקי, ובכל זאת ההתנהגות האבולוציונית שלהם קיבלה תשומת לב מועטה – וראוי בבירור מחקר נוסף."
נרגש מהאפשרויות העתידיות, אמר קאנאי, "כעת, לאחר שהראנו שאפשר להאיץ את התפתחות הגנום במעבדה, אנו להוטים ליישם מערכת זו על שאלות רחבות יותר. למשל, באילו תנאים מתפתחת שיתוף פעולה – בין אם בין חיידקים או בין חיידקים למארחים שלהם?"
עבור קנאי, תשובות כאלה מהוות חלק מחלום ארוך טווח כדי להבין את העקרונות שמאחורי התהליך של הטבע כדי להניע את המורכבות הביולוגית. "אני מקווה שיום אחד לבנות ולהתפתח אורגניזמים פשוטים כדי לחשוף כיצד החיים הופכים מורכבים. זה יכול גם לאפשר הנדסה של חומרים אורגניים מתוחכמים ביותר שקשה לתכנן ישירות, ולדרוש כוונון עדין אבולוציוני להשיג פונקציות רצויות."
