Бактерия Clostridium botulinum вырабатывает один из самых сильных природных ядов — ботулотоксин. Он блокирует нервные сигналы, мышцы перестают слушаться, и без срочной помощи человек умирает от паралича дыхания. Именно этот токсин стал лекарством: инъекции ботокса лечат спазмы, мигрени и разглаживают морщины.
Люди начали выращивать бактерию для получения токсина более 90 лет назад — сначала для военных программ, потом для медицины и косметики. Один штамм, выведенный армией США в 1942 году, до сих пор «кормит» всю мировую индустрию ботокса.
Биологи называют такой процесс одомашниванием: как когда-то дикий предок собаки превратился в друга человека, так и микроб стал фабрикой ботулотоксина. Но как именно ломалась ДНК бактерии за десятилетия в пробирках и чанах ферментеров, оставалось неизвестно.
Исследователи решили восстановить эту генетическую историю превращения. Результаты опубликовали в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Сначала биологи секвенировали и сравнили больше тысячи геномов C. botulinum, чтобы найти ближайших диких родственников армейского штамма. Затем сопоставили геном одомашненной бактерии с геномом общего предка.
Разница оказалась значительной: около 100 изменений, включая 46 точечных мутаций, 44 мелкие вставки и выпадения, перестановку куска хромосомы и потерю более 80 генов. Среди них ученые выявили поломку в гене mutS. Он кодирует белок, который исправляет ошибки при копировании ДНК. У армейского штамма белок укоротился до 9% нормальной длины и полностью перестал работать.
Чтобы измерить скорость мутаций напрямую, биологи вырастили 10 линий одомашненного штамма и 20 линий дикого. Каждый цикл в новую пробирку переносили единичные клетки, чтобы естественный отбор не вмешивался. В результате армейский штамм копил точечные мутации примерно в четыре раза быстрее дикого, а мелкие вставки и выпадения — примерно в 100 раз быстрее. Математическая модель показала, что поломка mutS случилась одной из первых — приблизительно в десятке начальных шагов одомашнивания.
Сломанный ген дал бактерии внутренний источник разнообразия. В лаборатории микробы не обмениваются генами с соседями, и быстрые мутации стали его заменой. Отбор закреплял полезные варианты.
Одомашненный штамм потерял способность образовывать споры, способные пережить кипячение, и не выживал даже пять минут при 80 °C. Но в тепличных условиях ферментера это оказалось неважно: в смешанной культуре армейский штамм за два цикла пересева занимал больше 93% среды.
В итоге биологи составили геномную летопись микробного одомашнивания — от дикого предка до промышленного штамма, который сегодня лежит в основе мировой фармацевтики. Схожие процессы одомашнивания происходят и у других индустриальных микробов, которые производят антибиотики, ферменты и инсулин.