Sergej Maslov, een professor in bio-engineering en natuurkunde aan de Universiteit van Illinois, ziet een "universum in een zandkorrel". Zijn onderzoek probeert dat universum te verkennen door zich te concentreren op de genomische diversiteit van zijn bestanddelen:de miljoenen microben die erin gedijen en zich voortplanten.

Maslov's recente onderzoek, gepubliceerd in Genetica , onderzocht de dynamiek die deze diversiteit beheerst door de effecten van verschillende factoren op de evolutie van de genoomsequentie te modelleren. De co-auteurs van het onderzoek waren voormalige leden van het laboratorium van Maslov, Purushottam Dixit, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Columbia University, en Tin Yau Pang, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Düsseldorf. Samen, Dixit, Pang en Maslov, die ook een Bliss Faculty Scholar is en lid is van het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology en het National Center for Supercomputing Applications, verduidelijkte de voorwaarden die ofwel een bacteriesoort samenhangend houden of het naar diversiteit drijven.

De oorsprong van het huidige werk was een informele interactie tussen Maslov en zijn collega F. William Studier, een gerenommeerd bioloog bij Brookhaven National Laboratory. Studier en anderen onderzochten de genoomsequentie van verschillende stammen van Escherichia coli en waren geïntrigeerd door een observatie dat sommige gebieden van het genoom dramatisch varieerden - meer dan bij toeval verwacht - in het aantal sequentieverschillen tussen de twee stammen.

Maslov werd meegezogen in de puzzel die door deze bevinding werd gepresenteerd, en hielp uiteindelijk de groep concluderen dat regio's met zeer verschillende sequenties verklaard konden worden door recombinatie, een mechanisme waarmee bacteriële cellen DNA-fragmenten van hun buren kunnen verkrijgen en deze in hun eigen genomen kunnen opnemen.

"Ik ben een computermens, dus ik ben echt niet gemotiveerd door een vakgebied, maar per se door interesse in problemen. Dus als het een puzzel is, Ik kraak het graag als het kan, " zei Maslov. Zelfs nadat het werk met Studier was gepubliceerd, Maslov bleef zich aangetrokken voelen door de vragen die door de bevinding werden gesteld. "We wilden begrijpen hoe bacteriesoorten zich vormen en wat de krachten zijn die ze coherent houden."

Een natuurkundige van opleiding, Maslov stelt deze vraag in termen van kosmologie:in het universum van microben, hoe werkt mutatie, toevallige fouten in de genoomsequentie die de variatie binnen een stam uitbreiden, vergelijken met de bindende "zwaartekracht" van recombinatie? Hij en zijn co-auteurs probeerden deze vraag te beantwoorden met behulp van de steeds groter wordende openbare database van bacteriële genomische gegevens.

"Direct na een recombinatiegebeurtenis, twee bacteriële genomen worden identiek voor een stuk van hun genoomsequentie, wat betekent dat ze in zekere zin dichter bij elkaar staan. . . [maar] als je twee bacteriesequenties hebt die te ver van elkaar verwijderd zijn, ze verliezen gewoon het vermogen om met elkaar te recombineren, " zei Maslov. "Ons doel was om meer in het algemeen het probleem van het onderhoud van bacteriële soorten te begrijpen."

Maslov en zijn co-auteurs ontwikkelden een computermodel dat de basiselementen van bacteriële evolutie vastlegde:het bestaande niveau van genomische diversiteit tussen paren individuen binnen een populatie, de snelheid van toevallige mutaties, en het vermogen tot recombinatie. Het model kwantificeerde de relaties tussen al deze factoren, aangezien ze de genoomsequentie binnen een populatie van bacteriën beïnvloeden. De onderzoekers ontdekten dat de balans tussen deze factoren een vrij scherpe scheiding veroorzaakt tussen twee verschillende toestanden:metastabiliteit en divergentie.

"De belangrijkste parameters die relevant blijken te zijn... is de frequentie waarmee het specifieke genomische organisme recombineert met leden van zijn eigen soort, en de totale bevolkingsomvang, dus afhankelijk van die twee variabelen kun je twee regimes hebben, ofwel een regime waarin recombinatie voldoende vaak voorkomt dat je een coherente soort hebt die lang bij elkaar blijft, of je hebt dit regime waar het in ondersoorten uiteenvalt, ' zei Maslov.

Met andere woorden, frequente recombinatiegebeurtenissen kunnen een populatie bacteriën in een metastabiele toestand houden, een waarin soortvorming onwaarschijnlijk is, zelfs in de loop van vele generaties. Een grotere populatie waarin de mutatiesnelheid groter kan zijn dan de homogeniserende effecten van recombinatie, zal snel divergeren. Maar Maslov benadrukte dat over een voldoende lange tijdschaal, soortvorming is even onvermijdelijk als de uitdijing van het heelal.

"Vroeg of laat zal er een bizar ongeluk gebeuren, omdat op het moment dat de genetische afstand tussen twee soorten een bepaalde drempel overschrijdt, ze verliezen effectief het vermogen om te recombineren, " zei hij. "De nieuwe soort zal zich vormen - dus het is meer een kwestie van hoe lang een bepaalde entiteit, die we tegenwoordig een bacteriesoort noemen, zal leven voor."

Door de basiskenmerken van bacteriële soortvorming op te helderen, dit werk behandelt fundamentele vragen over evolutie en zou uiteindelijk kunnen bijdragen aan inspanningen om de ontwikkeling van resistentie tegen geneesmiddelen of virulentie bij ziekteverwekkende pathogenen op te sporen en te voorkomen.