Ewolucja odporności na promieniowanie jest bardziej skomplikowana, niż wcześniej sądzono

Najtwardsze organizmy na Ziemi, zwane ekstremofilami, mogą przetrwać ekstremalne warunki, takie jak ekstremalna suchość (wysuszenie), ekstremalne zimno, próżnia kosmiczna, kwasy, a nawet promieniowanie na wysokim poziomie. Jak dotąd najtrudniejszą ze wszystkich wydaje się być bakteria Deinococcus radiodurans – zdolna do przetrwania dawek promieniowania tysiąc razy większych niż te śmiertelne dla ludzi. Ale do tej pory naukowcy pozostawali zdziwieni tym, jak odporność na promieniowanie mogła ewoluować w kilku organizmach na naszej planecie, naturalnie chronionych przed promieniowaniem słonecznym przez pole magnetyczne. Podczas gdy niektórzy naukowcy sugerują, że oporność na promieniowanie u organizmów ekstremofilnych mogła ewoluować wraz z innymi rodzajami odporności, takimi jak odporność na wysychanie, pozostaje pytanie: które geny są szczególnie zaangażowane w oporność na promieniowanie?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, zespół dr. Coxa z Uniwersytetu Wisconsin-Madison postanowił „pozwolić komórkom im powiedzieć”. Naukowcy rozpoczęli od naturalnie nieodpornych bakterii E. coli i wystawili je na iteracyjne cykle napromieniania na wysokim poziomie. Po wielu cyklach ekspozycji na promieniowanie i przerostu pojawiło się kilka populacji odpornych na promieniowanie. Korzystając z sekwencjonowania całego genomu, naukowcy zbadali plik zmiany genetyczne obecni w każdej populacji opornej na promieniowanie i określili, która mutacja zapewniła oporność promieniotwórczą bakterii.

W swoim pierwszym badaniu zespół dr Cox rozpoczął od wystawienia E. coli na 50 rund jonizacji (Bruckbauer et al 2019b). Po około 10 rundach pojawiły się populacje odporne na promieniowanie, a po 50 latach badanie ich profilu genetycznego ujawniło trzy mutacje odpowiedzialne za odporność na promieniowanie – wszystkie w genach powiązanych z mechanizmami naprawy DNA. Tutaj, w swoim nowym badaniu, zespół wystawił bakterie na 50 kolejnych rund napromieniowania i selekcji.

Wyniki opublikowane w Frontiers in Microbiology pokazują, że populacje odpornych na promieniowanie E. coli nadal ewoluowały i pojawiły się subpopulacje. Co zaskakujące, podczas gdy oporność na promieniowanie wywołane przez pierwszą serię jonizacji mogła być głównie związana z trzema mutacjami, druga wywołała setki mutacji, w tym duże delecje i duplikacje kilku genów. „Cztery populacje, które ewoluujemy w ramach tego nowego badania, osiągnęły obecnie poziomy oporności na promieniowanie zbliżone do poziomów obserwowanych w przypadku Deinococcus radiodurans. W miarę postępu obecnego badania zmiany genomu okazały się znacznie bardziej złożone niż przewidywano”. Dr Cox mówi.

Chociaż trudniej jest wskazać wszystkie mutacje przyczyniające się tym razem do wzrostu oporności na promieniowanie, naukowcy pokazują, że wpływa to na większy metabolizm komórkowy (synteza ATP, biogeneza klastra żelaza i siarki, synteza kadaweryny i reaktywna reakcja form tlenu). Co więcej, badanie to dowodzi, że odporność na promieniowanie może rozwinąć się do poziomu Deinococcus radiodurans, niezależnie od odporności na wysychanie. W miarę trwania ekspozycji na promieniowanie i ewolucji eksperymentalnej gromadzi się więcej danych na temat wywoływania oporności na promieniowanie u bakterii. Może to pewnego dnia stanowić cenny zestaw narzędzi mutacje do projektowania probiotyków odpornych na promieniowanie, pomagających na przykład pacjentom leczonym radioterapią lub astronautom wystawionym na działanie kosmosu promieniowanie.