Il y a près d’un siècle, le théoricien de l’évolution Sewall Wright imaginait un paysage de montagnes et de vallées. Les pics représentaient des états de forme évolutive élevée pour les organismes, tandis que les creux entre eux représentaient des états de faible forme physique. Les organismes pourraient se déplacer à travers le paysage par un processus de mutation, gravissant les sommets à mesure que leurs gènes changeants les aidaient à atteindre une meilleure forme physique.

Wright, l'un des fondateurs de la génétique moderne des populations, était intrigué par un paradoxe apparent : si une population d'organismes parvenait à atteindre le sommet d'une petite colline, elle y serait abandonnée, entourée d'états pires. Ils ne pouvaient pas atteindre des sommets plus élevés sans d’abord traverser le marasme en contrebas, ce que la sélection naturelle ne permettrait normalement pas.

Au cours des cent dernières années, les biologistes évolutionnistes ont utilisé des modèles mathématiques et, de plus en plus, des expériences en laboratoire avec des organismes vivants pour explorer comment des populations de toutes tailles peuvent se déplacer dans des paysages de fitness (parfois appelés paysages adaptatifs). Maintenant en une étude qui vient d'être publiée in Sciences, les chercheurs ont conçu plus d'un quart de million de versions d'une bactérie commune et tracé les performances de chaque souche pour créer l'un des plus grands paysages adaptatifs jamais construits en laboratoire. Cela leur a permis de se demander : à quel point est-il difficile de se rendre d'un point donné aux sommets ?

Étonnamment, le paysage accidenté de la condition physique était traversable pour la plupart des bactéries : environ les trois quarts des souches avaient une voie évolutive réalisable vers la résistance aux antibiotiques. Les résultats soutiennent l’idée, indiquée par des travaux théoriques antérieurs, selon laquelle les « vallées » en matière de condition physique peuvent être plus facilement évitées qu’on pourrait le penser. Ils ouvrent également la porte à une meilleure compréhension de la manière dont les populations réelles – de bactéries mais peut-être aussi d’autres organismes – pourraient évoluer sous la pression de la sélection naturelle.

Pendant de nombreuses décennies, l’exploration des paysages fitness était principalement l’apanage des théoriciens travaillant avec des organismes simulés ou des expérimentateurs pionniers travaillant à une échelle relativement petite. Mais avec l'avènement d'une technologie d'édition génétique simple et peu coûteuse, l'équipe à l'origine du nouvel article s'est demandé si elle pouvait construire un très vaste paysage adaptatif utilisant des organismes vivants, a déclaré Andréas Wagner, professeur de biologie à l'Université de Zurich et auteur du nouvel article.

Ils ont décidé de tracer les effets d'un seul gène dans la bactérie sur la condition physique. Escherichia coli. La dihydrofolate réductase, l'enzyme codée par ce gène, est une cible de l'antibiotique triméthoprime, et des mutations dans le gène peuvent rendre la bactérie résistante au médicament. Wagner et ses collègues, dont l'auteur principal Andreï Papkou, postdoctorant à l'Université de Zurich, a créé plus de 260,000 XNUMX souches génétiquement distinctes de E. coli, dont chacun utilisait une permutation différente de neuf acides aminés dans le noyau fonctionnel de sa version de l'enzyme.

Ils ont cultivé les souches en présence de triméthoprime et ont suivi celles qui prospéraient. L’analyse de leurs données a révélé un paysage avec des centaines de sommets de différentes hauteurs, représentant la capacité de chacune des variantes génétiques (génotypes) à permettre aux bactéries d’échapper au médicament.

Ensuite, les chercheurs ont examiné à quel point il serait difficile pour les différentes souches d’évoluer pour atteindre l’un des plus hauts sommets. Pour chaque génotype, ils ont calculé quelle série de mutations serait nécessaire pour le transformer en l’une des souches hautement résistantes.

Comme Wright l'avait prédit il y a plusieurs décennies, certains chemins se terminaient au sommet de faibles sommets qui ne laissaient aucune possibilité d'amélioration supplémentaire. Mais de nombreuses voies – des voies par lesquelles, mutation après mutation, les organismes pouvaient modifier leur génotype – ont atteint des sommets assez élevés.

"Nous avons de bonnes statistiques sur la fréquence à laquelle ils restent bloqués sur des pics bas", a déclaré Wagner. « Et ce n'est pas fréquent du tout. … Soixante-quinze pour cent de nos populations atteignent des résistances aux antibiotiques cliniquement pertinentes.

Cela correspond à quoi Sam Scarpino, un biologiste et modélisateur de maladies qui est directeur de l'IA + Life Sciences à la Northeastern University, a déclaré qu'il s'y attendrait. "Ils ont obtenu ce très beau résultat que nous avions prédit", a-t-il déclaré en désignant un article théorique récent explorer la relation entre la robustesse et la navigabilité des paysages de remise en forme. Lorsque les paysages de fitness sont de grande dimension – lorsqu’ils vont au-delà des trois dimensions simples de l’imagination de la plupart des gens pour atteindre, par exemple, les neuf dimensions utilisées dans l’étude de Wagner – des réseaux très différents de gènes régulateurs qui produisent les mêmes caractéristiques physiques sont plus susceptibles d’être proches. ensemble dans un paysage ou pour être reliés par un chemin accessible.

Par exemple, Wagner et Papkou ont découvert que les pics les plus élevés de résistance aux antibiotiques dans leur paysage expérimental étaient souvent entourés par l’équivalent en neuf dimensions de très larges pentes ; en effet, leur forme ressemblait davantage au mont Fuji qu'au Cervin. En conséquence, de nombreux génotypes ont commencé quelque part sur les pentes des plus hauts sommets de condition physique, ce qui a permis à ces variétés d'atteindre plus facilement le sommet.

Il n'était pas évident que les plus hauts sommets attireraient la grande majorité des génotypes, a noté James O'Dwyer, écologiste théorique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Mais dans ce paysage, cela semble avoir été le cas.

C'est pourquoi la construction de paysages de fitness comme l'ont fait Wagner, Papkou et leurs collègues – des paysages massifs basés sur des organismes réels – est une étape importante pour combler le fossé entre ce que nous pourrions supposer être vrai et ce qui existe réellement dans la nature, dans des systèmes bien plus complexes que nous pouvons facilement imaginer, dit Ben Kerr, professeur de biologie à l'Université de Washington. « Comment mapper nos intuitions… sur des situations qui ne font pas partie de notre expérience ? il a dit. « Il faut recycler son intuition. Un bon point de départ est de le faire sur des données empiriques.

Aussi vaste que soit le paysage du fitness décrit dans le nouvel article de Wagner, il ne montre que ce dont les bactéries sont capables dans un seul environnement spécifique. Si les chercheurs modifiaient l’un des détails – s’ils modifiaient la dose de l’antibiotique ou augmentaient la température, par exemple – ils obtiendraient un paysage différent. Ainsi, même si les résultats semblent suggérer que la plupart E. coli Si certaines souches peuvent développer une résistance aux antibiotiques, ce résultat pourrait être soit beaucoup moins probable, soit beaucoup plus probable dans le monde réel. Tout ce qui semble certain, c'est que la plupart des variétés ne sont probablement pas irrévocablement sabotées par leurs propres succès mineurs.

Les prochaines étapes intéressantes de cette recherche pourraient donc impliquer d'explorer si l'une des règles qui semblaient prévaloir dans la version expérimentale du paysage pourrait être plus largement universelle. "S'ils l'étaient, il y aurait une raison profonde et sous-jacente à cela", a déclaré O'Dwyer.

Wagner et Papkou espèrent explorer d’autres versions du paysage dans leurs travaux futurs. Papkou note qu’il n’est pas possible de cartographier de manière exhaustive chaque permutation, même d’un seul gène – le paysage exploserait presque immédiatement jusqu’à atteindre une taille astronomique. Mais avec des paysages construits en laboratoire et des modèles théoriques, il devrait encore être possible aujourd’hui de commencer à explorer si des principes universels sous-tendent la manière dont une entité en évolution peut changer en réponse à son environnement.

"L'essentiel est le suivant : il est assez facile pour l'évolution darwinienne de commencer dans une position sous-optimale et de passer par la force de la sélection naturelle à un pic de condition physique élevé", a déclaré Papkou. "C'était assez étonnant."

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