Az ELKH Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) Biokémiai Intézetének Papp Balázs, Pál Csaba és Horváth Péter által vezetett három kutatócsoportja közösen azt vizsgálta, hogy miként jönnek létre új tulajdonságok az élőlények evolúciója során. Élesztőgombában végzett kísérleteik révén kimutatták, hogy ökológiailag és klinikailag fontos új tulajdonságok alakulhatnak ki egy káros mutáció és annak ártalmas hatásait csillapító másodlagos mutációk melléktermékeként. Az SZBK kutatói ezzel egy gyökeresen új evolúciós folyamatot tártak fel, amelyben a káros mutációk konstruktív szerepet töltenek be. Eredményeikről a Nature Ecology & Evolution folyóiratban megjelent publikációban számoltak be. A felfedezés biotechnológiai gyakorlati jelentősége, hogy új stratégiát nyithat meg iparilag hasznos fehérjék laboratóriumi kitenyésztéséhez.
Hogyan jelennek meg és változnak az élőlények tulajdonságai az evolúció során? A látható tulajdonságokban megfigyelhető változások molekuláris „nyersanyagai” a mutációk, az élőlények örökítőanyagában végbemenő véletlenszerű változások. Számtalan példát ismerünk arra, hogy egy új tulajdonság az adott környezetben előnyös mutációk elterjedésének eredményeként alakul ki, legyen szó a baktériumok antibiotikumokkal szembeni ellenálló képességéről vagy embereknél a tejcukor lebontásának képességéről. A folyamatosan felbukkanó mutációk többsége azonban nem előnyt biztosít, hanem éppen károsan érinti a túlélést vagy a szaporodási esélyt. Vajon hozzájárulhatnak-e ezek a káros mutációk is az élőlények változatosságához? Elsőre azt gondolhatnánk, hogy nem, hiszen ha egy káros mutáció meg is változtat bizonyos tulajdonságokat, káros természetéből fakadóan nem fog elterjedni. A legtöbb káros mutációnak valóban ez a sorsa, ugyanakkor ismerünk a természetben olyan eseteket, amikor mégsem tűnik el, hanem egy másik, a káros hatást ellensúlyozó mutáció révén fennmarad. Az ilyen helyreállító mutációkat kompenzáló mutációknak nevezik, a folyamatot magát pedig kompenzáló evolúciónak. Ha ennek végeredményeként új, megváltozott tulajdonságokkal rendelkező élőlények jöhetnek létre, az arra utal, hogy a káros mutációk is hozzájárulhatnak az élővilág változatosságához. Az SZBK kutatói arra az alapvető kérdésre keresték a választ, hogy vajon valóban létrejönnek-e új tulajdonságok ilyen módon.
Kísérleteikhez a kutatók a konyhából is ismerős pékélesztőt használták. Az egysejtű pékélesztőt gyakran alkalmazzák laboratóriumi evolúciós kísérletekben, mivel könnyen növeszthető, másfél óra alatt képes önmagát sejtosztódással megduplázni, és így egy új generációt létrehozni. Az SZBK kutatói egy korábbi vizsgálat során már megállapították, hogy a pékélesztőben könnyen végbe tud menni a kompenzáló evolúció. Kiindulásként a káros mutációkat mesterségesen és egyedileg állították elő egy-egy gén teljes eltávolításával, aminek eredményeként egy olyan, több száz mutánsból álló gyűjtemény jött létre, amelyben az élesztők osztódási sebessége jelentős mértékben lelassult. A mutáns élesztőket ezután három hónapon át növesztették a laborban a kompenzáló mutációk felbukkanására várva, ami be is következett, és ennek eredményeként a növekedési sebesség a mutánsok többségében helyreállt.
Legújabb kísérletükben a kutatók arra keresték a választ, hogy az így létrejött kompenzált mutánsok milyen gyakran térnek el valamilyen tulajdonságban a kiinduló, mutációkat nem hordozó, úgynevezett vad élesztőtől. Többféle tulajdonságot is vizsgáltak, és mivel a laboratóriumi pékélesztő jellemzően egysejtű, elsőként a sejtek alakjában bekövetkező változásokat figyelték meg automatizált mikroszkópos képfeldolgozás segítségével. A vizsgálat során azt találták, hogy a kompenzált mutánsok gyakran a vad típusú élesztőtől eltérő sejtalakkal rendelkeznek. Sőt, a megfigyelt változások típusai és azok mértéke nagy hasonlóságot mutattak a természetben előforduló pékélesztő-változatok között megfigyelhető tulajdonságokkal is.
A sejtalak tehát gyakran megváltozott, a kutatók azonban arra is kíváncsiak voltak, hogy a kísérlet során kitenyésztett élesztők képesek-e többsejtű formák kialakítására is. Ugyan a természetben gyakoriak a többsejtű formák, a laboratóriumi pékélesztő eddig nem bizonyult képesnek e forma kialakítására. Ez a kérdés különösképpen nagy jelentőségű, mivel a kórokozó élesztőfajokban a többsejtű formák elősegítik a gazdaszervezet megtámadását.
A kutatók ennek megválaszolására most három különböző többsejtűvé válási forma – a fürtösödés, a biofilmképzés és az invazív növekedés – megjelenését vizsgálták. A fürtösödés során az élesztősejtek tökéletlen osztódása következtében a folyadékban növekvő sejtek nem válnak el egymástól. A biofilmképzés esetében a sejtek egymáshoz és szilárd felszínekhez, például orvosi eszközökhöz tudnak tapadni, ami komoly egészségügyi gondokat okozhat. Invazív növekedéskor a sejtek fonálszerű képletek segítségével képesek szilárd felszínekbe, például állati és növényi szövetekbe hatolni. Meglepő módon több kompenzált mutáns a vadnál nagyobb biofilmet alakított ki, míg másokban a fürtösödés vagy az invazív növekedés jelent meg teljesen új tulajdonságként. Ez azért is figyelemre méltó, mert a laboratóriumi evolúció során nem történt szelekció ezekre a tulajdonságokra, így azok pusztán melléktermékei a káros mutációk kompenzációjának.
Az SZBK kutatóinak elsőként sikerült kimutatniuk, hogy a káros mutációk és a kompenzáló evolúció együttese ökológiailag és klinikailag fontos tulajdonságok megjelenéséhez vezethet. Ez a felfedezés egy új evolúciós képet is sugall, miszerint az evolúció nem pusztán egyenes vonalú „diadalmenet”, a káros mutációk ugyanis fontos kezdeti lépést jelentenek az evolúciós alkalmazkodásban. További kutatások adhatnak választ arra a kérdésre, hogy ez a folyamat milyen gyakran fordul elő a természetben. A mostani felfedezésnek azonban gyakorlati jelentősége is van, a biotechnológia egyik fontos ága ugyanis a természetes szelekció elveit használja új tulajdonságú fehérjék laboratóriumi kitenyésztésére. A fehérjék működésére nézve káros mutációk más előnyös mutációkkal kombinálva elősegíthetik a minőségileg új enzimek kialakulását.