Sergueï Maslov, professeur de bio-ingénierie et de physique à l'Université de l'Illinois, voit un « univers dans un grain de sable ». Ses recherches visent à explorer cet univers en se concentrant sur la diversité génomique de ses constituants :les millions de microbes qui s'y développent et se reproduisent.

L'étude récente de Maslov, Publié dans La génétique , ont examiné la dynamique qui régit cette diversité en modélisant les effets de plusieurs facteurs différents sur l'évolution de la séquence du génome. Les coauteurs de l'étude étaient d'anciens membres du laboratoire de Maslov, Purushottam Dixit, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Columbia, et Tin Yau Pang, maintenant chercheur postdoctoral à l'Université de Düsseldorf. Ensemble, Dixit, Pang et Maslov, qui est également boursier de la faculté Bliss et membre du Carl R. Woese Institute for Genomic Biology et du National Center for Supercomputing Applications, a clarifié les conditions qui maintiennent une espèce bactérienne cohésive ou la conduisent vers la diversité.

L'origine du présent travail était une interaction fortuite entre Maslov et son collègue F. William Studier, un biologiste renommé du Brookhaven National Laboratory. Studier et d'autres exploraient la séquence du génome de différentes souches d'Escherichia coli et ont été intrigués par une observation selon laquelle certaines zones du génome variaient considérablement - plus que prévu par hasard - dans le nombre de différences de séquence entre les deux souches.

Maslov a été entraîné dans le puzzle présenté par cette découverte, et a finalement aidé le groupe à conclure que des régions avec des séquences très différentes pourraient être expliquées par recombinaison, un mécanisme qui permet aux cellules bactériennes d'obtenir des fragments d'ADN de leurs voisines et de les incorporer dans leurs propres génomes.

"Je suis une personne informatique, donc je suis vraiment motivé par un domaine pas forcément par un intérêt pour les problèmes. Alors si c'est un casse-tête, J'aime le casser si possible, " a déclaré Maslov. Même après la publication du travail avec Studier, Maslov a continué à se sentir attiré par les questions posées par la découverte. "Nous voulions comprendre comment les espèces bactériennes se forment et quelles sont les forces qui les maintiennent cohérentes."

Physicien de formation, Maslov pose cette question en termes de cosmologie :dans l'univers des microbes, comment se passe la mutation, des erreurs aléatoires dans la séquence du génome qui élargissent la variation trouvée au sein d'une souche, comparer à la "force gravitationnelle" contraignante de la recombinaison? Lui et ses coauteurs ont tenté de répondre à cette question à l'aide de la base de données publique en constante évolution des données génomiques bactériennes.

"Immédiatement après un événement de recombinaison, deux génomes bactériens deviennent identiques pour un morceau de leur séquence génomique, ce qui signifie qu'ils sont en quelque sorte plus proches les uns des autres. . . [mais] si vous avez deux séquences bactériennes trop éloignées l'une de l'autre, ils perdent simplement la capacité de se recombiner les uns avec les autres, " a déclaré Maslov. "Notre objectif était d'essayer de comprendre plus généralement le problème du maintien des espèces bactériennes."

Maslov et ses coauteurs ont développé un modèle informatique qui a capturé les éléments de base de l'évolution bactérienne :le niveau existant de diversité génomique entre les paires d'individus au sein d'une population, le taux de mutations aléatoires, et la capacité de recombinaison. Le modèle a quantifié les relations entre tous ces facteurs car ils influencent la séquence du génome au sein d'une population de bactéries. Les chercheurs ont découvert que l'équilibre entre ces facteurs crée une division assez nette entre deux états distincts :la métastabilité et la divergence.

"Les principaux paramètres qui s'avèrent pertinents... est la fréquence à laquelle l'organisme génomique particulier se recombine avec les membres de sa propre espèce, et la taille globale de la population, donc en fonction de ces deux variables, vous pouvez avoir deux régimes, soit un régime dans lequel la recombinaison se produit suffisamment fréquemment pour que vous ayez une espèce cohérente qui reste ensemble pendant longtemps, ou vous avez ce régime où il se divise en sous-espèces, " a déclaré Maslov.

En d'autres termes, des événements de recombinaison fréquents peuvent maintenir une population de bactéries dans un état métastable, un dans lequel la spéciation est peu susceptible de se produire même au cours de nombreuses générations. Une population plus importante dans laquelle le taux de mutation peut l'emporter sur les effets d'homogénéisation de la recombinaison divergera rapidement. Mais Maslov a souligné que sur une échelle de temps suffisamment longue, la spéciation est aussi inévitable que l'expansion de l'univers.

"Tôt ou tard, il y aura un accident anormal, car au moment où la distance génétique entre deux espèces dépasse un certain seuil, ils perdent effectivement la capacité de se recombiner, " dit-il. " La nouvelle espèce se formera, donc c'est plus une question de combien de temps une entité donnée, que nous appelons actuellement une espèce bactérienne, vivra pour."

En élucidant les caractéristiques de base de la spéciation bactérienne, ce travail aborde des questions fondamentales sur l'évolution et pourrait éventuellement contribuer aux efforts visant à suivre et à prévenir le développement de la résistance aux médicaments ou de la virulence chez les agents pathogènes pathogènes.