معلومة

اختيار النسب في تطور البلازميد

اختيار النسب في تطور البلازميد



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد كنت أقرأ من خلال Paulsson (2002) ولست متأكدًا مما يعنيه "اختيار النسب" في القسم الثاني إلى الأخير. تتعامل الورقة مع تكرار البلازميد ، وتركز في الغالب على الضغوط المتناقضة من مستويين من الاختيار:

  1. اختيار intracell - المنافسة بين البلازميدات في خلية واحدة. يمكن أن يخضع البلازميد لطفرة رابطة الدول المستقلة ويتضاعف بشكل مفرط ، مما ينتج عنه لياقة داخل الخلية أعلى من البلازميد البؤري. تتكاثر البلازميدات.
  2. اختيار intercell - المنافسة بين الخلايا. ستستغرق الخلايا ذات الحمل الثقيل من البلازميدات وقتًا أطول للتكاثر ، وستكون البلازميدات التي تنتج حمولة ثقيلة أقل ملاءمة بين الخلايا. تتكاثر الخلايا التي تحتوي على البلازميدات.

في هذا السياق، ماذا يعني المستوى الثالث من الاختيار - اختيار النسب -؟ ما يستنسخ؟ كيف تنقسم الأنساب أو تتفاعل؟

تخميني

هل يعني اختيار النسب ببساطة اختيار مجموعة على مستعمرات منفصلة من الخلايا؟ في هذه الحالة ، كيف تتشكل السلالات الجديدة؟ أتوقع أن يختار مستوى المجموعة هذا لمستويات صفرية من البلازميدات (نظرًا لأنها لا تضع حمولات على الخلايا ، وبالتالي ستنمو هذه المجموعات من الخلايا بشكل أسرع) ، لكن بولسون (2002) يقترح العكس:

يمكن أن يفضل اختيار السلالة الصفات البلازميدية التي تساعد سكان الخلايا المحتوية على البلازميد على محاربة الخلايا الخالية من البلازميد.

هل هناك نقاشات أكثر تفصيلاً حول هذا متاح من قسم واحد في Paulsson (2002)؟ لا وحدة الاختيار ولا مقالات ويكيبيديا التطورية أو النسب الجينية تعالج سؤالي. الأول يذكر النسب فقط بالمرور ، والثاني لا يناقش نماذج الاختيار.


مراجع

بولسون ، ج. (2002). اختيار متعدد المستويات على تكرار البلازميد. علم الوراثة, 161(4): 1373-1384.


يعرّف اختيار النسب على أنه اختيار للصفات التي تزيد من ملاءمة مجموعة من البلازميدات ، بدلاً من البلازميد الفردي في خلية أو خلية معينة تحتوي على البلازميدات. يقول أن وحدة الانتقاء هي "سلاسل مضيف بلازميد": بمعنى آخر ، وحدة الانتقاء هي مجموعة البلازميدات وثيقة الصلة في خلايا منفصلة. إنه مثال على اختيار الأقارب على الرغم من أنني لم أر المصطلحات المحددة قيد الاستخدام على نطاق واسع. من المحتمل أنه لا يستخدم اختيار الأقارب لأن البلازميدات ليس لديها ذرية محددة جيدًا ، لذلك يستخدم مصطلحًا أوسع للإشارة إلى النسب. ربما كنت أفضل اختيار الكليد ، لكن هذا المصطلح له أموره الخاصة. لست متأكدًا (ولا بولسون أيضًا) من أن اختيار الأقارب يحتاج إلى شرح معدلات الخسارة `` المنخفضة بشكل حاقد '' ، نظرًا لأن الاختيار داخل الخلايا وبينها يفضل معدلات خسارة أقل.


الترميز الكروموسومي لـ بكتريا قولونية يكشف السكان عن ديناميكيات تنوع النسب بدقة عالية

تتأثر الديناميكيات التطورية في عدد كبير من السكان اللاجنسيين بشدة بالسلالات المفيدة المتنافسة المتعددة ، والتي ينفصل معظمها عند ترددات منخفضة جدًا. ومع ذلك ، فإن الحواجز التقنية لتتبع عدد كبير من هذه السلالات النادرة في التجمعات البكتيرية حالت حتى الآن دون توضيح مفصل لديناميات التطور. هنا ، نتغلب على هذه العقبة من خلال تطوير تقنية تشفير الكروموسومات التي تسمح بالتتبع المتزامن لحوالي 450.000 سلالة متميزة في الإشريكية القولونية، والتي نستخدمها لاختبار تأثير التركيزات المثبطة للمضادات الحيوية الشائعة على الديناميات التطورية للأنساب منخفضة التردد. وجدنا أن السكان يفقدون تنوع النسب بمعدلات مميزة تتوافق مع نظام المضادات الحيوية لديهم. نحدد أيضًا أن بعض السلالات لها مصائر متشابهة عبر تجارب مستقلة. من خلال تحليل ديناميكيات المسار ، نعزو المصائر القابلة للتكاثر لهذه السلالات إلى وجود طفرات مفيدة موجودة مسبقًا ، ونوضح كيف تختلف المساهمة النسبية للطفرات الموجودة مسبقًا وطفرات de novo عبر أنظمة الأدوية. أخيرًا ، نقوم بإعادة إنتاج ديناميكيات النسب المرصودة عن طريق المحاكاة. إجمالاً ، توفر نتائجنا منهجية قيمة لدراسة التطور البكتيري بالإضافة إلى نظرة ثاقبة للتطور تحت مستويات المضادات الحيوية الفرعية المثبطة.


مقدمة

البلازميدات هي عناصر وراثية ملحقة قادرة على الانتقال أفقيًا بين البكتيريا. إنهم يحملون جينات تساعد مضيفهم على التكيف مع مجالات وضغوط جديدة ، ويلعبون دورًا رئيسيًا في تطور البكتيريا. 1 ترمز البلازميدات في كثير من الأحيان إلى جينات مقاومة المضادات الحيوية ، كونها مسؤولة عن انتشار مقاومة المضادات الحيوية والمقاومة المتعددة بين البكتيريا المسببة للأمراض ، والتي تشكل حاليًا مصدر قلق كبير للصحة العامة. 2،3

أحد الأسئلة المركزية حول بيولوجيا البلازميد هو كيف يمكن الحفاظ على البلازميدات بشكل ثابت في التجمعات البكتيرية على المدى الطويل. 4 يصعب فهم هذا بسبب العوامل التي تعيق بقاء البلازميد. على وجه التحديد ، (1) تنتج البلازميدات تكلفة للبكتيريا المضيفة ، 5 مما يتسبب في عيب تنافسي و (2) يمكن فقد البلازميدات أثناء انقسام الخلية (حتى لو كان بمعدل منخفض جدًا). 6 مجتمعة ، تتنبأ هذه العوامل 2 & # x000a0 بانخفاض مستمر في تردد البلازميد في السكان بمرور الوقت. 7 ومع ذلك ، هناك عوامل تتعارض مع تأثير التكلفة وفقدان الفصل وتساهم في الحفاظ على البلازميد في التجمعات البكتيرية ، مثل (1) اختيار الصفات المشفرة بالبلازميد ، (2) النقل الأفقي للبلازميد بين البكتيريا (بشكل رئيسي عن طريق الاقتران ) و (3) الطفرات التعويضية التي تخفف التكلفة التي ينتجها البلازميد. 4،8 التوازن بين كل هذه العوامل يحدد مصير بلازميد معين في مجموعة بكتيرية. 9

جادلت الدراسات النظرية السابقة بأنه لا يمكن الحفاظ على البلازميدات إلا في التجمعات البكتيرية عندما تكون قادرة على الاقتران. 8،10،11 ومع ذلك ، فقد أظهرت التطورات الحديثة في تسلسل الجينوم أنه من المفارقات أن جزءًا كبيرًا من البلازميدات يبدو أنه & # x0201c غير قابل للانتقال & # x0201d عن طريق الاقتران وفقًا لتسلسلها. 12 الآليات التي تسمح للبلازميدات غير القابلة للانتقال بالاستمرار غير مفهومة جيدًا. في دراسة حديثة ، استخدمنا النمذجة الرياضية والجينوميات الوظيفية والتطور التجريبي للتحقيق في هذه المشكلة. 13 قمنا بتطوير نظام نموذجي يعتمد على العامل الممرض الانتهازي الزائفة الزنجارية PAO1 يحمل البلازميد الصغير غير المقترن pNUK73 ، والذي ينتج عنه تكلفة لياقة كبيرة بشكل خاص في هذه السلالة (انخفاض بنسبة 20٪ تقريبًا في اللياقة النسبية). يمنح pNUK73 مقاومة للنيومايسين ، مما ينتج عنه زيادة في تركيز المثبط الأدنى (MIC) بحوالي 60 ضعفًا في PAO1. بعد 30 مقطعًا يوميًا (300 جيل) ، قدم السكان الفرعيون الحاملون للبلازميد طفرات تعويضية عوضت تمامًا عن تكلفة نقل البلازميد. أدت هذه الطفرات إلى تعطيل 3 جينات كروموسومية معينة: هليكاز يحمل مجالًا طرفيًا C يشبه UvrD (PA1372) و 2 كينازات بروتين سيرين / ثريونين متجاورة (PA4673.15 و PA4673.16).

ومع ذلك ، كان السكان الفرعيون الخاليون من البلازميد يتكيفون أيضًا مع الظروف البيئية ، وبالتالي زادت لياقتهم أيضًا مقارنة بالسلالة الأبوية. كان هذا بسبب اكتساب طفرات مفيدة بشكل عام للتكيف مع ظروف المختبر. استهدفت هذه الطفرات في المقام الأول جين الديجوانيلات الحلقي wspF (PA3703) في نظامنا التجريبي. وهكذا ، استمرت السلالة الحاملة للبلازميد في الانقراض ، وإن كان ذلك بمعدل أبطأ. نتيجة لذلك ، كان حجم السكان في السلالة الحاملة للبلازميد صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن إصلاح الطفرات المفيدة بشكل عام. يمكن إنقاذ السكان الحاملة للبلازميد ، مع ذلك ، عن طريق إضافة المضادات الحيوية. أدى ذلك إلى زيادة حجم الخلايا الحاملة للبلازميد مما سمح للطفرات المفيدة بشكل عام بالتثبيت. لذلك ، وجدنا أن الاختيار الإيجابي والتكيف التعويضي يتفاعلان لتثبيت pNUK73: يزيد الاختيار الإيجابي من احتمال التكيف التعويضي عن طريق زيادة حجم السكان للأنساب الحاملة للبلازميد ، وبالتالي تحسين فرص حدوث طفرات تكيفية جديدة في الخلايا الحاملة للبلازميد. يزيد التكيف التعويضي ، بدوره ، من تأثير الانتقاء الإيجابي على ثبات البلازميد عن طريق إبطاء معدل فقد البلازميد بين حلقات الاختيار الإيجابي.

تظهر نتائجنا السابقة أن التعويض والاختيار الإيجابي يساعدان على استقرار البلازميدات غير القابلة للانتقال على مدى بضع مئات من الأجيال. ومع ذلك ، لا يزال من الصعب فهم الصيانة طويلة الأمد لهذه البلازميدات. 13 في هذا التعليق ، نقوم بتوسيع نتائج نموذج علم الوراثة السكانية لدينا لتحليل تأثيرات أنظمة الانتقاء المختلفة وكذلك تأثير نقل الجينات الأفقي في الاستقرار طويل المدى لهذه البلازميدات.


نتائج

نموذج

نحن نعتبر مجموعة تتكون من خلايا يمكن أن تكون إما مقاومة للكروموسومات أو حساسة للكروموسومات ( أو ) ، بدون بلازميد أو بلازميد مقاوم أو بلازميد حساس (, ، أو ). يؤدي هذا إلى ظهور ستة أنواع ممكنة من الخلايا: , , , , ، و (الحرف الأول يشير إلى الكروموسوم ، والحرف الثاني يشير إلى البلازميد).

نبدأ بتطوير نموذج لديناميكيات هذه الخلايا (الشكل 1) ونشير إلى كثافة كل نوع خلية بواسطة . تتكاثر الخلايا بمعدل . يتم التقاط المنافسة بين الخلايا من خلال معدل الوفيات المعتمد على الكثافة ، أين هي الكثافة الكلية للخلية (). تنتشر البلازميدات من خلال الانتقال المعتمد على الكثافة بين الخلايا بمعدل وتضيع أثناء تكاثر الخلية مع الاحتمال (خسارة الفصل). يرتبط النقل بالبلازميد بتكلفة اللياقة البدنية ، مما يقلل من معدل النسخ المتماثل بمعامل . نفترض أن الخلايا يمكن أن تصاب ببلازميد واحد فقط في كل مرة. خلايا بلا مقاومة ( و ) تعاني من معدل وفيات إضافي من التعرض للمضادات الحيوية. ترتبط المقاومة بتكلفة اللياقة ، مما يقلل من معدل التكرار بعامل . نحن نفترض أن جينات المقاومة لها نفس تكلفة اللياقة ونفس الفعالية سواء كانت كروموسومية أو محمولة بالبلازميد. تواجه الخلايا التي تحتوي على مقاومة تحمل الكروموسومات والبلازميد تكلفة لياقة مزدوجة . تم استكشاف تأثير تعديل هذه الافتراضات في المعلومات الداعمة (القسم 2). نتائجنا الرئيسية قوية بشكل عام ، مع إبراز الحساسيات في النص الرئيسي.

رسم تخطيطي للديناميات المنمذجة (مكافئ 1). تمثل كل دائرة رمادية نوعًا من الخلايا ، حيث تمثل الدوائر الداخلية الكروموسوم (الكبير) والبلازميد (الصغير) ، مع تدل على المقاومة و حساسية. تشير الأسهم إلى العمليات النموذجية: تكرار الخلية (الأزرق الداكن) ، والموت (الأرجواني) ، وانتقال البلازميد (البرتقالي) ، وفقدان الفصل (الأزرق الفاتح). تشير الملصقات إلى المعدل الذي تحدث به هذه العمليات. يشير إلى كثافة نوع الخلية ، لذلك هي الكثافة الكلية للخلية (), هي الكثافة الكلية للخلايا ذات البلازميد المقاوم ()، و هي الكثافة الكلية للخلايا ذات البلازميد الحساس (). هو معدل النسخ المتماثل معدل الوفيات المعتمد على الكثافة معدل الوفيات المرتبط بالمضادات الحيوية معدل انتقال البلازميد احتمال فقدان الفصل تكلفة النقل البلازميد و تكلفة حمل جين المقاومة. (1)

تم تلخيص معلمات النموذج في الجدول 1. نتوقع أن تختلف قيم المعلمات (أي المعدلات والتكاليف) اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على ، على سبيل المثال ، الأنواع البكتيرية ونوع البلازميد والمضادات الحيوية والبيئة. هدفنا هو فهم سلوك نظام معمم نوعيًا ، بدلاً من عمل تنبؤات كمية حول نظام معين. لذلك فإننا نستكشف مجموعة واسعة من قيم المعلمات (قسم المعلومات الداعمة 1) بدلاً من اختيار المعلمات لتعكس نظامًا معينًا.

معامل تعريف أبعاد قيمة النص الرئيسي (نطاق SI) الثبات متى
معدل النسخ المتماثل الوقت −1 1 (0.5, 2) عالي
معدل الوفيات خلايا الحجم − 1 مرة −1 1 (0.5, 2) قليل
معدل الوفيات المرتبط بالمضادات الحيوية الوقت −1 1 (0, 2) قليل
تكلفة مقاومة المضادات الحيوية بلا أبعاد 0.05 (0, 0.5) عالي
تكلفة النقل بالبلازميد بلا أبعاد 0.075 (0, 0.5) قليل
معدل انتقال البلازميد خلايا الحجم − 1 مرة −1 0.2 (0, 0.25) عالي
فقدان الفصل بلا أبعاد 0.005 (0, 0.1) قليل
  • ملحوظة: بشكل أكثر تحديدًا ، يشير العمود الخامس إلى ما إذا كانت منطقة الثباتية (حيث يمكن أن تكون المقاومة محمولة بالبلازميد أو الكروموسومات) تحدث عند قيم معلمات عالية أو منخفضة مقارنة بالمنطقة التي تكون فيها مقاومة الكروموسومات فقط مستقرة تطوريًا (انظر قسم المعلومات الداعمة 1) . وحدات المعلمة عشوائية. يتم اختيار قيم النص الرئيسي لتوضيح نطاق النتائج المستقرة التطورية بشكل أفضل.

الاستقرار التطوري للبلازميد المولود ومقاومة الكروموسومات

نحن مهتمون بالاستقرار التطوري للمقاومة التي يحملها الكروموسومات والبلازميد ، أي ما إذا كان يمكن استبدال المقاومة الكروموسومية عن طريق المقاومة التي يحملها البلازميد والعكس صحيح. نحدد مناطق المعلمات التي يكون فيها كل نوع من المقاومة مستقرًا (الأشكال 2 و S1 و S2) باستخدام تحليل الثبات الخطي (انظر الطرق). في ظل ظروف الاختيار للمقاومة ، نلاحظ ثلاثة سلوكيات: الاستقرار التطوري للكروموسومات - ولكن لا تحملها البلازميد - الاستقرار التطوري للمقاومة المحمولة بالبلازميد - ولكن ليس الكروموسومات - والاستقرار التطوري لكلا شكلي المقاومة. في هذه المنطقة الثالثة ، تحدث المقاومة إما على البلازميد أو على الكروموسوم ، ولكن ليس كلاهما: فوجود المقاومة التي يحملها الكروموسومات والبلازميد يزيد من تكلفة المقاومة مع عدم تقديم أي فائدة إضافية.

الاستقرار التطوري للمقاومة التي يحملها البلازميد والكروموسومات. تشير الألوان إلى شكل المقاومة المستقر تطوريًا: المقاومة الصبغية فقط (البرتقالية) فقط المقاومة التي يحملها البلازميد (الأزرق) أو إما (الأرجواني). عندما تكون المقاومة صبغية ، يمكن أن يكون البلازميد الحساس موجودًا أو غائبًا عن السكان (داكن مقابل برتقالي فاتح). في المساحة البيضاء في اللوحة اليسرى ، لا يكون أي من أشكال المقاومة مستقرًا (السكان حساسون للمضادات الحيوية). قيم المعلمات هي: , , . للوحة اليمنى = 0.075 و . للوحة اليمنى و . يظهر الشكلان S1 و S2 نتائج لمزيد من المعلمات. لاحظ أنه في مساحة المعلمة حيث تكون المقاومة مفيدة ، يمكن أن تكون ضرورية (: الخلايا الحساسة للمضادات الحيوية ليست قابلة للحياة ، حتى في حالة عدم وجود منافسة من الخلايا المقاومة) أو غير ضرورية. لا يؤثر هذا التمييز على نتائجنا (الشكلان S1 و S2).

مقاومة الكروموسومات فقط

عندما تكون مقاومة الكروموسومات فقط مستقرة تطوريًا ، فإن جينات المقاومة ستنتهي دائمًا على الكروموسوم خلال مقياس زمني تطوري. سيكون البلازميد إما حساسًا أو غائبًا عن السكان. بشكل عام (الجدول 1 والشكلان S1 و S2) ، تكون مقاومة الكروموسومات هي النتيجة الوحيدة المستقرة تطوريًا عندما تكون الفائدة من المقاومة عالية (معدل الوفيات المرتفع المرتبط بالمضادات الحيوية ، وانخفاض تكلفة المقاومة) عندما تكون ملائمة البلازميد منخفضة (منخفضة معدل انتقال البلازميد ، وفقدان الفصل العالي ، وارتفاع تكلفة البلازميد) وعندما تكون الكثافة الإجمالية للخلية منخفضة (معدل الموت المرتفع ، معدل النسخ المنخفض).

المقاومة المحمولة بالبلازميد فقط

عندما تكون المقاومة التي يحملها البلازميد مستقرة تطوريًا ، فإن جينات المقاومة ستنتهي دائمًا على البلازميد. لاحظ أنه في هذه المنطقة ، المقاومة الصبغية ليست مستقرة على الإطلاق (الشكل S12): إنها تمثل منطقة لا يمكن أن تستمر فيها جينات المقاومة إلا عند نقلها أفقيًا (van Dijk et al. 2020). تنشأ هذه النتيجة فقط في ظل ظروف محددة جدًا (مساحة صغيرة للمعلمة ، عندما تنتج المقاومة فائدة لياقة طفيفة فقط الشكل 2) ويكون وجودها حساسًا لبنية النموذج (على سبيل المثال ، كيفية نمذجة تأثير المضادات الحيوية ، انظر الشكل S7). لذلك لا نعتبر هذا تفسيرًا مقبولًا بيئيًا لسبب وجود جينات المقاومة على البلازميدات.

الثبات

عندما يكون كلا الاتزان مستقرين تطوريًا ، يمكن أن تكون المقاومة إما كروموسومية أو محمولة بالبلازميد اعتمادًا على الظروف الأولية. بمجرد أن يثبت أحد أشكال المقاومة ، لا يمكن أن يحل محله الآخر.

لمزيد من التحقيق في الاعتماد على الظروف الأولية ، نقوم بمحاكاة النظام عدديًا ، بدءًا من كثافات الخلايا الأولية المختلفة (انظر الطرق). نحن نعتبر سيناريو مع مجموعة أولية تتكون من خلايا مقاومة وخلايا حساسة (الشكل 3). نختلف (1) التردد الأولي للبلازميد الحساس في المجموعة السكانية الحساسة (2) التردد الأولي للمقاومة التي تحملها الكروموسومات مقابل المقاومة المنقولة بالبلازميد في المجموعة المقاومة و (3) ما إذا كانت الخلايا المقاومة للكروموسومات تحمل البلازميد الحساس. توفر نتائج هذه المحاكاة (الأشكال 3 و S3 و S4) نظرة ثاقبة للضغوط التطورية التي تحدد موقع جينات المقاومة بثلاث طرق.

يعتمد تأثير الظروف الأولية على موقع توازن جين المقاومة ، وإظهار النتيجة التطورية ، على كل من الترددات الأولية للمقاومة التي يحملها البلازميد والمقاومة الصبغية والتردد الأولي للبلازميد الحساس. توضح اللوحات اليسرى التباين في الظروف الأولية. توضح اللوحات اليمنى ما إذا كانت المقاومة المحمولة بالبلازميد (الأزرق) أو المقاومة الصبغية (البرتقالية) يتم ملاحظتها عند التوازن. ال x- يشير المحور إلى تواتر البلازميد الحساس في السكان الحساسين الأوليين . ال ذ- يشير المحور إلى تواتر المقاومة التي يحملها البلازميد في مجتمع المقاومة الأولي للوحة أ ، بالنسبة للوحة B. تعتبر المقاومة التي يحملها البلازميد نتيجة نموذجية في الألواح B أكثر من A بسبب وجود البلازميد الحساس في المجموعة الأولية المقاومة للكروموسومات في اللوحة A. الكثافة الإجمالية للمجموعات الأولية الحساسة والمقاومة هي 1. (لا يؤثر تغيير النسبة الأولية للمقاومة إلى الحساسية على النتائج النوعية - الشكل S3). قيم المعلمات هي كما يلي: , , , = 0.075, , ، و .

أولاً ، وجود اختيار إيجابي يعتمد على التردد: المقاومة التي يحملها البلازميد هي نتيجة نموذجية أكثر عندما يكون التردد الأولي للمقاومة التي يحملها البلازميد مرتفعًا مقارنةً بتكرار المقاومة الصبغية. وبالمثل ، فإن التردد الأولي العالي لمقاومة الكروموسومات ، مقارنة بالمقاومة التي يحملها البلازميد ، يؤدي إلى مقاومة الكروموسومات كنتيجة تطورية. وبالتالي ، فإن ملاءمة نوع واحد من المقاومة ترتبط ارتباطًا إيجابيًا بترددها. ينشأ هذا الاعتماد على التردد لأن الخلايا المقاومة بشكل ثنائي أقل ملاءمة من الخلايا ذات أي شكل من أشكال المقاومة الفردية: المقاومة المزدوجة تتحمل تكلفة لياقة إضافية ولكنها لا توفر أي فائدة إضافية للياقة.كلما زاد تواتر مقاومة الكروموسومات ، زاد احتمال إصابة البلازميد المقاوم لخلية مقاومة للكروموسومات (وليس حساسة للكروموسومات). هذا يضر بالبلازميد المقاوم. وبالمثل ، كلما زاد تواتر البلازميد المقاوم ، زاد احتمال إصابة الخلية المقاومة للكروموسومات بالبلازميد المقاوم. هذا يضر بالكروموسوم المقاوم. وبالتالي ، كلما كان شكل المقاومة أكثر شيوعًا ، زادت ملاءمته مقارنة بالشكل الآخر.

ثانيًا ، تعتمد النتيجة التطورية أيضًا على تواتر البلازميد الحساس. تستفيد المقاومة التي يحملها البلازميد من ندرة البلازميد الحساس: المقاومة التي يحملها البلازميد هي نتيجة نموذجية أكثر عندما لا تحمل المجموعة الأولية المقاومة للكروموسومات البلازميد الحساس وعندما يكون تواتر البلازميد في المجموعة الحساسة منخفضًا. وذلك لأن التردد الأولي المنخفض للبلازميد الحساس يعني أن المقاومة التي يحملها البلازميد يمكن أن تنتشر عموديًا (تكاثر الخلية) وأفقياً (انتقال البلازميد) ، مما يسمح لها بزيادة التردد بسرعة أكبر من المقاومة الصبغية.

ثالثًا ، بشكل عام ، تعتبر مقاومة الكروموسومات نتيجة نموذجية في هذه المحاكاة أكثر من المقاومة التي يحملها البلازميد. وذلك لأن المقاومة التي يحملها البلازميد ، على عكس مقاومة الكروموسومات ، تخضع لفقدان الفصل: لا يتم توريثها دائمًا أثناء تكاثر الخلية. في الواقع ، فإن زيادة احتمال فقدان الفصل يفضل مقاومة الكروموسومات (الشكل S4).

صلابة النتائج

نحن نختبر قوة هذه النتائج لعدد من الافتراضات حول بنية النموذج (انظر قسم الأساليب والمعلومات الداعمة 2). والنتيجة العامة هي أن وجود الثباتية قوي ، على الرغم من أن حجم منطقة الثباتية يمكن أن يتغير. الافتراض الأساسي الوحيد للاعتماد الإيجابي على التردد هو أن المقاومة المزدوجة أقل فائدة من المقاومة الفردية (الشكلان S5 و S6). بمعنى آخر ، إلغاء التكلفة الإضافية من المقاومة المزدوجة ، أو زيادة فائدة المقاومة المزدوجة لدرجة تفوق هذه التكلفة الإضافية ، يلغي منطقة الثباتية. في ظل هذه الظروف ، تهيمن المقاومة المزدوجة (أي أن السكان سيتكون من بلازميد مقاوم يدور في مجتمع مقاوم للكروموسومات).

تستحق نتائج تحليلي الحساسية على وجه الخصوص تسليط الضوء عليها. أولاً ، نتائجنا قوية لإدراج تدفق الجينات بين البلازميد والكروموسوم (على سبيل المثال ، تبديل جين المقاومة). يسمح التدفق الجيني للشكل المستبعد من المقاومة بالاستمرار عند التردد المنخفض (على غرار توازن اختيار الطفرة) ، ويزيد من نطاق الظروف الأولية التي تؤدي إلى مقاومة الكروموسومات (الشكل S8). ومع ذلك ، فإن هذه التأثيرات تصبح جوهرية فقط لمعدلات التحويل المرتفعة بشكل غير واقعي (قسم المعلومات الداعمة 2.4) (Sousa et al. 2013). ثانيًا ، يعد وجود الثباتية قويًا للنمذجة المتقلبة ، بدلاً من الضغط الثابت للمضادات الحيوية. اعتمادًا على فترته ، يمكن للتقلبات أن تفضل المقاومة التي يحملها البلازميد ، مما يزيد من حجم مساحة المعلمة التي تكون فيها المقاومة المحمولة بالبلازميد فقط مستقرة تطوريًا (الشكل S10).

العلاقة بنتائج النمذجة السابقة

بعد ذلك ، نعيد النظر في بعض نتائج النمذجة السابقة. كما تمت مناقشته في المقدمة ، تتنبأ النمذجة السابقة بأن الصفات المفيدة محليًا ستكون محمولة بالبلازميد بدلاً من الكروموسومات ، مما يوفر فرضية تكميلية لسبب وجود جينات معينة على البلازميدات (Bergstrom et al.2000). ومع ذلك ، فإن النموذج الذي اشتق منه هذا التنبؤ يفترض عدم وجود البلازميد خارج المكانة المحلية. لذلك نسأل ما إذا كان التكيف المحلي يفضل المقاومة التي يحملها البلازميد إذا كان يمكن للبلازميد الحساس أن يستمر خارج المكانة المحلية. نقوم بتعديل نموذجنا ليشمل تدفق الخلايا الحساسة ، ونغير تواتر البلازميد الحساس في هذه الخلايا الواردة (قسم المعلومات الداعمة 3). يتوافق هذا مع سيناريو تكون فيه المقاومة مفيدة محليًا في البيئة النموذجية ، ولكن لا يتم اختيارها في مكان آخر. كما هو مبين في الشكل 4 ، فإن تدفق الخلايا الحساسة بدون البلازميد الحساس يفضل بالفعل المقاومة التي يحملها البلازميد ، كما هو مقترح سابقًا (بيرجستروم وآخرون 2000). ومع ذلك ، فإن تدفق الخلايا الحساسة بالبلازميد الحساس يفضل مقاومة الكروموسومات. تعتمد قوة هذا التأثير على معدل تدفق الخلايا الحساسة. وبالتالي ، فإن التكيف المحلي يفضل المقاومة التي يحملها البلازميد فقط إذا كان تواتر البلازميد الحساس منخفضًا خارج المكانة المحلية.

يعتمد الموقع (الكروموسومات أو المنقولة بالبلازميد) لجين المقاومة المفيد محليًا على وجود البلازميد الحساس في الخلايا المهاجرة. السكان الأوليون مقاومون تمامًا (مع الخلايا المقاومة للكروموسومات التي تحمل البلازميد الحساس ، المقابل للوحة A في الشكل 3) ، مع ذ- يشير المحور إلى تواتر المقاومة التي يحملها البلازميد في هذه المجموعة الأولية . ال x- يشير المحور إلى تواتر البلازميد الحساس في الخلايا المهاجرة. إن وجود البلازميد في هذه الخلايا المهاجرة يدعم مقاومة الكروموسومات. معدل التدفق المرتفع هو معدل التدفق المنخفض هو . قيم المعلمات الأخرى هي: , , , = 0.075, , ، و .

ثانيًا ، نعيد النظر في النتائج المتعلقة باستمرارية البلازميد. اقترحت أعمال النمذجة السابقة أنه إذا كانت لياقة البلازميد منخفضة جدًا بحيث لا يمكن للبلازميدات أن تستمر كطفيليات نقية (أي بدون حمل الجينات المفيدة للخلية المضيفة) ، فإن الجينات المفيدة ستحدد دائمًا على الكروموسوم بدلاً من البلازميد (في غياب التكيف المحلي بيرجستروم وآخرون 2000). وبالتالي ، فإن استمرار وجود البلازميدات منخفضة القابلية للانتقال يمثل مفارقة: لا يمكن الحفاظ عليها بدون جينات مفيدة ، ولكن لا يمكن الحفاظ على الجينات المفيدة على هذه البلازميدات (Bergstrom et al.2000).

نختبر هذا التوقع في نموذجنا (كما هو مفصل في قسم المعلومات الداعمة 4) من خلال مقارنة مساحة المعلمة التي تكون فيها المقاومة التي يحملها البلازميد مستقرة تطوريًا (على سبيل المثال ، يمكن أن تتواجد جينات المقاومة على البلازميد حتى في وجود منافسة من مقاومة الكروموسومات) مع مساحة المعلمة التي يمكن أن يستمر فيها البلازميد الطفيلي (على سبيل المثال ، يمكن أن يستمر البلازميد الحساس في مجموعة حساسة من الكروموسومات). نجد أن النتائج السابقة لا تنطبق على بنية النموذج المعروضة هنا: يمكن أن تحدد جينات المقاومة على البلازميد بدلاً من الكروموسوم حتى لو كانت قابلية انتقال البلازميد منخفضة جدًا بحيث لا يستمر البلازميد كطفيلي (الشكل S11). هذا يعني أنه من الناحية النظرية ، من الممكن أن تكون هناك بلازميدات منخفضة القابلية للانتقال والتي تستمر فقط بسبب الميزة التي توفرها للخلايا المضيفة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن مساحة المعلمة التي يحدث فيها هذا صغيرة (الشكل S11).

معدل الاستحواذ يحدد موقع الجينات المقاومة

حتى الآن ، تُظهر نتائجنا أنه بالنسبة للجينات المفيدة بشكل معتدل (أي تلك الموجودة في منطقة المعلمة ثنائية الاستقرار) ، فإن وجود اختيار إيجابي يعتمد على التردد يعني أن المقاومة التي يحملها البلازميد يمكن أن تكون مستقرة تطوريًا على الرغم من فقدان الفصل. هذا الاختيار المعتمد على التردد ليس ، في حد ذاته ، تفسيرًا كافيًا لسبب انتقال جينات المقاومة بالبلازميد. ومع ذلك ، فإنه يشير إلى أن أي شكل من أشكال المقاومة (التي يحملها البلازميد أو الكروموسومات) المكتسبة أولاً من المرجح أن يثبت في المجتمع: إذا كان للشكل الأول من المقاومة وقت لزيادة الكثافة قبل اكتساب الشكل الآخر ، التردد الأكبر سيمنحه ميزة لياقة. لا يلزم أن يكون نمط المقاومة الأول قد وصل إلى التثبيت لمنع غزو الآخر: ميزة الاعتماد على التردد قوية بدرجة كافية حتى عند ترددات المقاومة الإجمالية المنخفضة (الشكل S13). لذلك ، عندما يكون معدل اكتساب المقاومة منخفضًا مقارنة بمعدل الزيادة في تردد المقاومة بمجرد الحصول عليها ، سيستمر الشكل الأول للمقاومة.

وبالتالي ، يمكن تفسير وجود جينات المقاومة على البلازميدات بأن معدل اكتساب المقاومة التي يحملها البلازميد أعلى من معدل اكتساب مقاومة الكروموسومات. في الواقع ، معدلات نقل البلازميد المقترن أعلى بشكل عام من معدلات نقل الجينات الأفقية الكروموسومية (أحد التقديرات ، بناءً على مقارنة القياسات التجريبية ، يقترح ترتيب أعلى ، على الرغم من أن هذا ربما يعتمد بشكل كبير على السياق Nazarian et al. 2018). علاوة على ذلك ، بالنسبة لعدد من الأنواع البكتيرية ، يُعتقد بالفعل أن الآلية الأساسية لاكتساب جينات المقاومة هي النقل بين الأنواع للبلازميدات الحاملة للمقاومة (Baker et al. 2018 MacLean and San Millan 2019).

لإضفاء الطابع الرسمي على هذه الفكرة ، قمنا بتطوير نموذج بسيط لاكتساب المقاومة في أنواع متعددة (الشكل 5 وقسم "الطرق"). نحن نمثل الأنواع هي جين مقاومة مفيد في جميع الأنواع وبلازميد يمكن نقله واستمراره في جميع الأنواع (إما لأنه يحتوي على نطاق مضيف واسع أو لأنه يمكن تغيير نطاقه أو توسيعه بعد النقل Loftie-Eaton et al. 2016 ). يمكن أن تكون المقاومة إما محمولة بالبلازميد أو الكروموسومات. بمجرد أن يكتسب النوع شكلاً واحدًا من أشكال المقاومة ، يصبح هذا الشكل من المقاومة ثابتًا ولا يمكن استبداله (بسبب الاختيار الإيجابي المعتمد على التردد). نحن نفترض أن جينات المقاومة لا تظهر إلا على الكروموسوم (بمعدل ). يمكن أن ينتشر الجين من خلال النقل الأفقي بين الأنواع لمقاومة الكروموسومات (على سبيل المثال ، التحول) (بمعدل ) ، أو النقل بين الأنواع لبلازميدات المقاومة (بمعدل ). نحن نفترض أن الجين يمكن أن يتحرك بين البلازميد والكروموسوم بمعدلات منخفضة ، مما يسمح لشكل المقاومة المستبعد بخلاف ذلك بالاستمرار عند التردد المنخفض. نحن لا نضع نموذجًا واضحًا لهذا التعايش ، لكننا نصمم النقل الأفقي لشكل التردد المنخفض (بمعدل للمقاومة والمعدل المنقولة بالبلازميد لمقاومة الكروموسومات ، أين هو تردد نموذج التردد المنخفض).

انتشار المقاومة التي يحملها البلازميد. اللوحة أ: تمثيل هيكل النموذج. يمثل الأنواع بدون جين المقاومة الأنواع ذات الجين المقاوم على البلازميد الأنواع ذات الجين المقاوم على الكروموسوم. هو المعدل الذي تنشأ عنده المقاومة من خلال الطفرة المعدل الذي تنتقل به المقاومة المنقولة بالبلازميد بين الأنواع المعدل الذي تنتقل به مقاومة الكروموسومات بين الأنواع و يلتقط تدفق الجينات بين البلازميد والكروموسوم. اللوحة B: تعتمد نسبة المقاومة التي يحملها البلازميد على عدد الأنواع المحاكاة ونسبة معدل انتقال الكروموسومات بين الأنواع () والجين المنقول بالبلازميد (). تظهر الخطوط الأفقية المتقطعة أقصى نسبة من مقاومة البلازميد ، بالنظر إلى أن المقاومة يجب أن تظهر أولاً على الكروموسوم (). تمثل أشرطة الخطأ 95٪ فترات ثقة ، بناءً على 1000 تحقيق. كانت المعلمات: , و . تظهر نتائج المعلمات البديلة في الشكل S14.

نحن نحاكي هذا النظام عشوائياً (انظر قسم "الطرق") ، بدءًا من عدم وجود أنواع لديها جين المقاومة. يوضح الشكل 5 نسبة الأنواع ذات المقاومة التي يحملها البلازميد بمجرد انتشار الجين إلى جميع الأنواع. كما هو متوقع ، تزداد نسبة الأنواع ذات المقاومة التي يحملها البلازميد مع معدل انتقال البلازميد بين الأنواع. بالإضافة إلى ذلك ، تزداد هذه النسبة أيضًا مع عدد الأنواع المنمذجة. ينشأ هذا التأثير لسببين. أولاً ، يجب أن يكون المظهر الأولي للجين de novo على الكروموسوم. وهكذا ، على سبيل المثال ، عندما يتم نمذجة نوعين فقط ، لا يمكن أن تحدث المقاومة التي يحملها البلازميد إلا في نوع واحد من نوعين. ثانيًا ، يزداد تأثير معدل الانتقال بين الأنواع مع زيادة عدد الأنواع المانحة المحتملة. هذه النتائج قوية إلى معايير مختلفة (الشكل S14).


التطور في البلازميدات البكتيرية ومستويات الانتقاء

يمثل تدفق الجينات بين التكاثرات المختلفة مثل البلازميدات البكتيرية والكروموسومات مشاكل غير عادية للتحليل التطوري. أكثر بكثير مما هو الحال في حقيقيات النوى ، يجب النظر في المزايا الإنجابية على عدة مستويات من جينات الانتقاء ، الينقولات ، البلازميدات ، الخلايا ، والمستنسخات في وقت واحد لفهم تطور البلازميد. لا يوجد مستوى يسود باستمرار في حالات الصراع ، وتحمل بعض الوحدات التناسلية الجينات التي تحد من تكاثرها أو بقائها ، على ما يبدو لتعزيز تكاثر أو بقاء الوحدات الإنجابية ذات المستوى الأعلى التي تحملها. على الرغم من تدفق الجينات بين البلازميدات والكروموسومات ، فإن الجينات الخاصة بوظائف معينة تظهر ميولًا قوية للظهور على البلازميدات بينما يحدث البعض الآخر باستمرار على الكروموسومات. تتنوع الوظائف المرتبطة بالبلازميدات عمومًا ، ولكن جميعها مفيدة فقط في السياقات المقيدة محليًا ، ويُقال إن النتائج الانتقائية للانتقال الأفقي الأكبر (خلال الجيل) للبلازميدات هي المسؤولة عن هذا النمط. إن ميل الينقولات بدائيات النوى ، والتي تكون أيضًا متحركة أفقيًا ، لحمل جينات مشابهة لتلك الموجودة عادة على البلازميدات تدعم هذه الحجة. تتفق الاتجاهات الواضحة في بلازميدات حقيقية النواة والينقولات التي تفتقر إلى هذه الصفات نفسها أيضًا مع تنبؤات فرضية التكيف المحلي ، لأن الجينات في هذه الوحدات الجينية عمومًا ليست متحركة أفقيًا أكثر من الجينات الصبغية. هناك أسباب نظرية لتوقع أن جينات البلازميد تميل إلى التطور بسرعة أكبر من الجينات الصبغية.


نتائج

وجود أرقام نسخ مميزة

نبدأ بتركيز انتباهنا على خلية واحدة تحتوي على مجموعة من البلازميدات متطابقة فيما يتعلق بملف تعريف النسخ الخاص بها. نتجاهل في البداية الطبيعة العشوائية للنسخ المتماثل وانقسام الخلية ونعتبر رقم النسخة متغيرًا مستمرًا ، مع كل من نمو المضيف ورقم النسخة الموصوف بواسطة المعادلات التفاضلية القطعية (انظر المعادلتين 1 و 2 في النص التكميلي S1). يتيح لنا نموذجنا إنشاء علاقة بين عدد البلازميدات في بداية دورة الخلية () وعدد البلازميدات في نهاية دورة الخلية في وقت انقسام الخلية ()، أين يمثل عدد البلازميدات في الخلايا الوليدة الناتجة ، بافتراض التقسيم المتساوي أثناء انقسام الخلية. يوضح الشكل 2 علاقة نموذجية بين و ، والتي تعتمد على معدل تكرار البلازميد الذي هو بدوره دالة لمعلمات البلازميد , و (انظر المعادلة 2). مع مراعاة العدد الأولي للبلازميدات في الخلية الأم ، ستحتوي الخلايا الوليدة الناتجة إما على عدد أقل ()، أكثر () أو العديد من البلازميدات () كما تم احتواء الخلية الأصلية في البداية. تمثل الحالة الأخيرة التوازن عبر الأجيال لرقم نسخة معين لمجموعة معينة من قيم معلمة البلازميد. يمكن أن يكون هذا التوازن مستقرًا أو غير مستقر ، اعتمادًا على استجابة النظام للتقلبات في عدد النسخ. شروط التوازن المستقر حيث يوجد رقم نسخة مميزة مستقرة يمكن تحديدها وفقًا لما يلي:

بحيث عندما تحتوي الخلية على أقل من البلازميدات في بداية دورة الخلية ، تتكاثر البلازميدات بشكل مفرط وعندما تحتوي على أكثر من البلازميدات والبلازميدات تحت التكاثر. في كلتا الحالتين ، والتي يمكن أن تظهر كنتيجة للعشوائية في تكاثر البلازميد أو الفصل عند انقسام الخلية ، يكون الاتجاه نحو توازن دورة الخلية المستقبلية مع البلازميدات مرة أخرى. مثال على رقم نسخة مميز ثابت هو النقطة المميزة بدائرة مملوءة في الشكل 2. النقطة التي تم تمييزها بدائرة مفتوحة على نفس المنحنى هي رقم نسخة توازن غير مستقر ، أي اضطراب يؤدي إما إلى التكرار الزائد للبلازميد أو التكرار الناقص ، الحالة الأخيرة في هذه الحالة تؤدي إلى الحركة نحو التوازن المستقر.

يمثل كل منحنى العلاقة القطعية بين عدد البلازميدات في بداية دورة الخلية الأصل وعدد البلازميدات في بداية دورة الخلية الابنة (بافتراض التقسيم أثناء انقسام الخلية) ، لمجموعة من أرقام النسخ الأولية ومجموعة ثابتة من معلمات الخلية والبلازميد. يمثل القطر تناسق أرقام النسخ بين نقاط الخلايا الأم وابنتها أسفل القطر الذي يشير إلى البلازميد تحت التكاثر ، بينما تشير النقاط الموجودة فوق القطر إلى التكرار الزائد للبلازميد. شكل المنحنى ونقطة (نقاط) التقاطع مع القطر تعتمد على منحنيات قيم معلمة البلازميد التي لا تتقاطع مع القطر تمثل حالة تناقص أو تكرار متناسق للبلازميدات لأي رقم نسخ أولي (أزرق منخفض ارتفاع منحنى وسماوي منحنى على التوالي). يتوافق الطرف العلوي من كل منحنى مع حد لا تستطيع الخلية بعده الحفاظ على سكانها البلازميدي بسبب معدل نمو الخلية السلبي الذي يؤدي إلى موت الخلية. النقاط التي تم تمييزها بدوائر على الوسيط منحنى (أخضر) يمثل أرقام نسخ التوازن ، تشير الدائرة المملوءة إلى الاستقرار ووجود رقم نسخة مميز ، بينما تشير الدائرة المفتوحة إلى توازن غير مستقر. الحرجة يمثل المنحنى (الأحمر) ، المماسي للقطر ، حد (حافة) الاستقرار ، حيث تنهار أرقام النسخ المميزة المستقرة وغير المستقرة إلى نقطة مفردة.

حدود استقرار البلازميد

لأي تكوين لمعلمات النسخ المتماثل البلازميد , و ، يمكننا تحديد ما إذا كان رقم نسخة مميزة ثابتة موجودًا ، وما هي قيمته ، وما هي ملاءمة الخلية المقابلة ، والتي يتم تعريفها على أنها مقلوبة للوقت مطلوب لتقسيم الخلية. يعرض الشكل 3 نتائج استكشاف مساحة معلمات البلازميد لنظامي CNC متميزين. أولاً ، نعتبر الحالة التي يكون فيها للبلازميدات معدلات تكرار ذاتية التحديد مستقلة عن وجود بلازميدات أخرى في نفس المضيف (، NO-CNC). في هذه الحالة ، الآلية الوحيدة للتحكم في رقم النسخة هي ضبط النفس البلازميدي (في شكل ) ، ما هي المقاربات النظرية المبكرة التي أطلق عليها & # x0201cpassive & # x0201d التحكم في رقم النسخ [36]. ثانيًا ، نعتبر حالة حلقة التغذية الراجعة السلبية النشطة بين رقم النسخ ومعدل تكرار البلازميد الذي يتحقق من خلال تخليق مثبطات النسخ المتماثل العابر (، مع ، CNC).

أرقام نسخ التوازن المستقرة (الصلبة) وغير المستقرة (المتقطعة) لخلية واحدة كدالة لمعدلات تكرار البلازميد القاعدية ل والقيم المختلفة لتقارب الربط (الأزرق لـ أخضر لـ أحمر ل ).قيم لياقة الخلية (محسوبة على أساس المعاملة بالمثل لوقت انقسام الخلية ) التي تتوافق مع أرقام النسخ المميزة الثابتة موضحة في اللوحة السفلية. تنهار أرقام نسخة التوازن المستقر وغير المستقر إلى نقطة مفردة (حافة ثبات رقم النسخ كما هو موضح في النقطة الحرجة. منحنى في الشكل 2) يتم تمييزه بخط منقط عمودي ملون ، والذي لا توجد بعده أرقام نسخ مميزة ، أي أن البلازميدات تتكاثر بشكل زائد عن أي رقم نسخ أولي. الحد الذي تحته رقم النسخة المميزة الثابتة يصبح الصفر هو . في حالة أين (الخطوط الزرقاء) ، تتزامن حافة الاستقرار مع أقصى ملاءمة للخلية لـ (خطوط خضراء وحمراء) ، فإن ذروة لياقة المضيف محاطة بتكوينات معلمات دون المستوى الأمثل والتي تتميز بالاستقرار فيما يتعلق برقم النسخ.

في الحالة السابقة (NO-CNC) ، نلاحظ أن النظام لديه رقم نسخة مميز ثابت غير صفري لمنطقة محدودة للغاية من معدلات تكرار البلازميد القاعدية . هذه المنطقة المستقرة محاطة بمناطق عدم استقرار البلازميد التي تتميز بنقص أو تكرار متناسق للبلازميدات لأي عدد نسخ أولي (موصوف بواسطة منخفض وعالي المنحنيات في الشكل 2). في منطقة استقرار البلازميد ، تزداد لياقة الخلية مع حتى نقطة حرجة تشير إلى الانتقال إلى عدم الاستقرار حيث تتكاثر البلازميدات باستمرار. وبالتالي ، في ظل عدم وجود CNC ، يفضل الاختيار بين الخلايا زيادة قيم معدل تكرار البلازميد () ، لأن هذا يترجم إلى لياقة أعلى للخلايا ، حتى يتم الوصول إلى النقطة الحرجة في عدم استقرار البلازميد. يحدث هذا الانتقال (المشار إليه بخط منقط عمودي في الشكل 3) بأقصى ملاءمة للخلية ويتميز بانهيار أرقام نسخة التوازن المستقر وغير المستقر إلى رقم نسخة مفرد (حدث يتم التقاطه من قبل الحرج منحنى في الشكل 2). ينتج عن التكرار المفرط المتسق دورات خلوية مستقبلية مع زيادة عدد البلازميدات مما يؤدي في النهاية إلى انفجار البلازميد وموت الخلايا. تفعيل نظام CNC (، مع ) يوسع نطاق استقرار البلازميد بشكل فعال ويفصل بشكل حاسم نقطة الانتقال إلى عدم الاستقرار من نقطة النمو الأمثل للخلايا. نتيجة لذلك ، فإن تكوين معلمات النسخ المتماثل للبلازميد الذي ينتج عنه نمو الخلايا الأمثل محاط الآن بمناطق دون المستوى الأمثل ، ولكنها مستقرة أيضًا. في ظل هذه الظروف ، فإن الانتقاء بين الخلايا لزيادة معدلات انقسام الخلايا سيفضل الخلايا التي تحتوي على البلازميدات بأرقام نسخ ثابتة.

استقرار البلازميد ونمو المضيف

أظهرت عمليات المحاكاة السابقة أنه عند تجاهل العشوائية ، لا يوجد سوى نطاق محدود من الذي يسمح بالاستقرار في تكاثر البلازميد. في غياب CNC ، سيؤدي تحسين معدل انقسام الخلية إلى معدلات تكرار البلازميد على حافة الاستقرار ، في حين أن وجود CNC يوسع نطاق معدلات النسخ المستقرة ، وكذلك يخلق حالة تكون فيها اللياقة الخلوية المثلى هي تقع في داخل هذه المنطقة من الاستقرار. نمضي الآن من خلال توسيع الإطار الحتمي أحادي الخلية الذي نظرنا فيه حتى الآن من أجل التحقيق في استقرار البلازميد وأداء المضيف في سياق المحاكاة العشوائية متعددة الخلايا التي تصف النمو غير المتزامن والانقسام (أو الموت) للمضيفين والتكرار المستقل للبلازميدات داخل مثل هؤلاء المضيفين. نقدم العشوائية في النسخ المتماثل للبلازميد من خلال النظر في العدد المتوقع لأحداث النسخ المتماثل للبلازميدات في كل مضيف في كل نقطة زمنية منفصلة ليتم توزيعها بواسون ، كما هو محدد في المعادلة 2 (لمزيد من التفاصيل ، انظر النص التكميلي S1).

يمكن تقييم أداء سلالة معينة في مثل هذه المحاكاة العشوائية ، حيث يصاب المضيفون بالبلازميدات بقيم معلمات تكرار متطابقة ، عن طريق حساب متوسط ​​معدل نمو المضيف الصافي على أنه الفرق بين متوسط ​​تقسيم المضيف ومعدلات الوفاة. يعرض الشكل 4 مشهد اللياقة الناتج للسلالات المستقلة كدالة للقيم المقابلة لمعلمات النسخ المتماثل للبلازميد و منح . نلاحظ أنه بسبب تجانس سكان البلازميد ، المعلمات و قابلة للتبديل (انظر أيضًا المعادلة 2) ، وعلى هذا النحو ، فإن مشهد اللياقة لـ و منح مطابق لمشهد اللياقة البدنية في و منح . يهيمن على منطقة استقرار البلازميد في هذا المشهد التدرج في معدل نمو صافي المضيف مما يؤدي إلى منطقة من النمو الأمثل تكون فيها طاعة الشرطة قوية إلى أقصى حد (). تمامًا كما هو الحال في الحالة الحتمية أحادية الخلية ، فإن المنطقة المستقرة محاطة بمناطق عدم استقرار البلازميد ، حيث يتم التخلص من البلازميدات من السكان المضيفين ، بسبب عدم وجود رقم نسخة مميز ثابت والتكاثر المتسق الناقص أو المفرط للبلازميدات. يؤدي عدم التكرار المستمر إلى التخفيف التدريجي والاختفاء النهائي للبلازميدات من السكان (المنطقة البيضاء أسفل المنطقة المستقرة في الشكل 4). يؤدي التكرار المفرط المتسق إلى ارتفاع عدد النسخ الذي يبطئ النمو الخلوي (انظر أيضًا المعادلة 1) ، مما يوفر مزيدًا من الوقت للبلازميدات للتكاثر ، وبالتالي إضعاف النمو الخلوي. على هذا النحو ، فإن المضيفات الخالية من البلازميد ، الناتجة عن أخطاء الفصل العشوائي ، قادرة على تجاوز العوائل المصابة بالعدوى الزائدة ، حتى يصبح السكان خاليين تمامًا من البلازميد (المنطقة البيضاء فوق المنطقة المستقرة في الشكل 4). في حالة الأنانية البلازميدية الشديدة (على أعلى مستوى ، قليل ) ، ينهار السكان المضيفون تحت وطأة التكاثر المفرط للبلازميد ، قبل إعطاء الفرصة للفصل الخالي من البلازميد للتغلب على العوائل المصابة بالعدوى وتشكيل مجموعة خالية من البلازميد (التجمعات السوداء في الشكل 4).

تعرض خريطة الحرارة متوسط ​​معدل النمو الصافي للسكان (معبرًا عنه بالفرق بين متوسط ​​معدلات الانقسام والوفاة) كدالة لمعلمات تكرار البلازميد و ، متوسط ​​عبر ثلاث عمليات محاكاة عشوائية متعددة الخلايا مع تجانس البلازميد (بدون طفرات) ومعدل ثابت من إنتاج المانع. تمثل المناطق البيضاء الموجودة أسفل وفوق المنطقة المستقرة مناطق فضاء معلمة البلازميد حيث يتم التخلص من البلازميدات من السكان بسبب نقص أو تكرار متماثل على التوالي. تمثل العناقيد السوداء الموجودة في الزاوية اليسرى العلوية انهيار المجتمع المضيف تحت وطأة التكاثر المفرط للبلازميد. يشير الخط الأفقي المتقطع إلى قيمة التي يحقق فيها النظام النمو الأمثل عند (انظر الشكل 5). أخيرًا ، يوضح المسار الأسود الذي يشبه السلم تطور CNC في محاكاة عشوائية حيث و يُسمح لها بالتحول مع الاحتمال ومعدل ثابت من إنتاج المانع.

مستويات الطاعة وفعالية التحكم في النسخ المتماثل

تؤدي التقسيمات العشوائية في النسخ المتماثل والبلازميد عند الانقسام الخلوي إلى توزيع أعداد النسخ في السكان التي تحدث عبر جميع العوائل المصابة بالبلازميد على مدار محاكاة. اكتشفنا آثار الطاعة ( أو الشرطة ، نظرًا لأن هذه قابلة للتبديل بسبب تجانس مجتمع البلازميد) على ميزات هذه التوزيعات ، من خلال النظر في مقطع عرضي لمشهد اللياقة البدنية لقيمة ثابتة لمعدل التكرار الأساسي للبلازميدات ، والذي يتوافق مع معدل النمو الصافي الأمثل عند الحد الأقصى لـ CNC (). نظام CNC الضعيف على طول هذا المقطع العرضي لمشهد اللياقة البدنية () غير مستقر ويتم التخلص من البلازميدات في النهاية من السكان (انظر الشكل 5). يعكس اتساع توزيعات عدد النسخ في هذا النظام التباين الواسع والانحراف لأرقام النسخ في المجتمع ، بسبب تضخيم تقلبات عدد النسخ العشوائية [15]. يبدأ تحويل التوزيعات في المدى المتوسط ​​للطاعة () ، مع ظهور ذروة واضحة ومع ذلك ، فإن وجود ذيل ثقيل يشير إلى استمرار عدم استقرار تكاثر البلازميد. يتم تقليل حالات عدم الاستقرار هذه في منطقة CNC القوية () نظرًا لأن التوزيعات تصبح أقل انحرافًا بشكل تدريجي ، نظرًا لزيادة الكفاءة في التحكم في تقلبات عدد النسخ العشوائية والانخفاض المقابل في تباين رقم النسخ. في الوقت نفسه ، التناقض بين متوسط ​​عدد النسخ للتوزيعات ورقم النسخة هذا هو الأمثل لنمو المضيف (انظر أيضًا المعادلة 1) يصبح أقل مع زيادة الطاعة ، مما يؤدي إلى تسريع متوسط ​​نمو المضيف الصافي إلى المعدل الأمثل عند الحد الأقصى لـ CNC ().

آثار الطاعة (زيادة التحكم في عدد النسخ ) على توزيع أرقام نسخ البلازميد لقيمة ثابتة لمعدل النسخ القاعدي للبلازميدات ، تم اختيارها بحيث تكون ملاءمة السكان لهذه القيمة مثالية عند الحد الأقصى باستخدام الحاسب الآلي (انظر الخط الأفقي المتقطع في الشكل 4). نظام CNC الضعيف () غير مستقر ويتم التخلص من البلازميدات في النهاية من السكان. يتم إعطاء توزيعات رقم النسخ لقيم مختلفة لـ (أعلى اليسار باللون الأزرق لـ ، أخضر لـ ، أحمر لـ ، سماوي لـ وأرجواني لـ ). تم حساب التوزيعات عن طريق تسجيل أرقام النسخ لجميع العوائل المصابة بالبلازميد على مدار الدورة الكاملة لمحاكاة عشوائية متعددة الخلايا. التناقض بين متوسط ​​رقم النسخة ورقم النسخة هذا هو الأمثل لنمو المضيف كدالة (أعلى اليمين) ، وكذلك الانحراف المعياري (أسفل اليسار) وانحراف (أسفل اليمين) لتوزيعات رقم النسخ.

تطور ضبط النفس الجماعي

بعد استكشاف تأثيرات تعاون البلازميد المتجانس على نمو المضيف واستقرار البلازميد ، نسأل الآن كيف تؤثر هذه التأثيرات على تطور معلمات تكرار البلازميد في السياق الأوسع للصراع بين مستويات الاختيار. تحقيقا لهذه الغاية ، نقدم تباين البلازميد في عمليات المحاكاة العشوائية متعددة الخلايا لدينا: يشير كل حدث تكرار البلازميد إلى إمكانية حدوث طفرة مع احتمال ، وفي هذه الحالة ، يتم تعديل قيمة واحدة بالضبط من معلمات تكرار البلازميد ، المختارة عشوائيًا مع احتمالات متساوية.

البدء بمجموعة أولية من البلازميدات التي لا تستجيب للمثبطات (أي. )، نحن نسمح بذلك و للتطور مع الأخذ في الاعتبار معدل ثابت لإنتاج المانع . تُظهر الديناميكيات التطورية الناتجة ، الموضحة في الشكل 4 ، ظهور التحكم الفعال في النسخ المتماثل كما هو مدفوع بأوجه التآزر بين الاختيار داخل الخلية لصالح المكاسب الإنجابية الفورية للبلازميد (أنانية أعلى ، طاعة أقل ) ، والاختيار بين الخلايا الذي يفضل التعديلات التطورية تجاه تلك المناطق من مساحة معلمة البلازميد حيث يزيد معدل نمو المضيف الصافي. في الواقع ، وبسبب الطبيعة العابرة والجينية لتقلبات عدد النسخ العشوائية ، يعمل الاختيار بين الخلايا على معدل نمو المضيف الصافي المتراكم على مدى بضعة أجيال ، وبالتالي ، على توزيعات رقم النسخ المرتبطة بتكوينات معينة لتكرار البلازميد المعلمات [27]. على هذا النحو ، فإن التعديلات التطورية التي يفضلها الاختيار بين الخلايا تأتي في شكل طفرات معامل بلازميد تعاونية ، مثل زيادة ضبط النفس بالبلازميد (انخفاض الأنانية ) أو زيادة الحساسية للمثبط (طاعة أعلى ) ، الذي يغير طريقة تكاثر البلازميد لضمان تقليل ، أولاً ، في التناقض بين الأمثل و يعني أرقام النسخ ، وثانيًا ، في حجم تقلبات عدد النسخ (أي تباين توزيع رقم النسخ). بهذه الطريقة ، يتكشف تطور CNC مع تتابع متصاعد من طفرات معلمة البلازميد الأنانية والتعاونية التي تتطور على طول التدرج في مشهد اللياقة البدنية للمضيف ، مما يؤدي بالنظام نحو منطقة النمو الأمثل للمضيف في أقصى CNC. يتم منع المزيد من التصعيد بسبب القيود المفروضة على قيم المعلمة البلازميدية ، فإن عدم وجود مثل هذه الحدود من شأنه أن ينتج عنه تأثير تصاعدي حيث تستمر الطفرات الأنانية والتعاونية إلى أجل غير مسمى ، مقيدة فقط بتكاليف إنتاج العوامل المقابلة المتضمنة في البلازميد النسخ المتماثل (البادئات والمثبطات).

يتم الحصول على نفس النتيجة التعاونية (تطور نظام CNC فعال) عندما نسمح لجميع معلمات تكرار البلازميد الثلاثة , و لتتطور من حالة أولية حيث لا تنتج البلازميدات () ولا ترد () لمثبطات (انظر الشكل 6). في هذه الحالة ، يمكن أن تكون الطفرات التعاونية إما خاصة برابطة الدول المستقلة (طاعة أعلى ) كما كان من قبل ، أو عبر محدد (عمل شرطي أكبر ) ، وفي هذه الحالة طفرة تزيد من المعدل من إنتاج المانع بواسطة البلازميد الفردي لن يؤثر فقط على الطفرة ولكن أيضًا على جميع البلازميدات في تجمع النسخ المتماثل داخل الخلية (بسبب المصطلح في المعادلة 2). خصوصية رابطة الدول المستقلة يشير ضمنيًا إلى أن الطفرة التعاونية التي تحفز حساسية أعلى للمثبط تكون مكلفة على المستوى داخل الخلية ، لأنها تقلل من فرص الطفرات في النجاح الإنجابي الفوري في تجمع النسخ المتماثل. عبر خصوصية يقدم عنصرًا قسريًا للتعاون ، لأن إنتاج المثبطات ينظم تكاثر جميع البلازميدات في البركة. كما أنه يخلق إمكانات لاستراتيجيات البلازميد التخريبية التي يمكن بموجبها للبلازميدات الفردية أن تكتسب ميزة في تجمع النسخ المتماثل عن طريق إنتاج المثبط بحماس (مراقبة عالية ) مع الحفاظ على حساسية منخفضة (طاعة ) لهذا المانع بأنفسهم. ومع ذلك ، فإن هذا النطاق للسلوك الانتهازي لا يمنع ظهور آلية CNC للرقابة. في الواقع ، وجدنا أن تباين معلمة البلازميد داخل الخلايا منخفض جدًا (انظر الجدول 1) ، بحيث يسكن المضيفون ، أكثر أو أقل ، مجموعة بلازميد متجانسة (أي ترتبط البلازميدات ارتباطًا وثيقًا بجيرانها داخل الخلايا) ، بسبب لعدم وجود هجرة البلازميد (انتقال أفقي) بين العوائل. يتم تقليل درجة تجانس البلازميد تقريبًا بترتيب من حيث الحجم بين المضيفين ، مقارنة بقيمته داخل المضيفين ، وبالتالي توليد فارق نمو المضيف الذي يعمل عليه الاختيار بين الخلايا من خلال تفضيل تحكم أكثر صرامة على تكاثر البلازميد.

متوسط ​​قيم معلمة البلازميد (أزرق)، (أخضر) و (أحمر) بمرور الوقت ، يُظهر تطور آلية CNC في المحاكاة العشوائية متعددة الخلايا ، مع احتمال حدوث طفرة . تم حساب متوسط ​​النتائج عبر 50 عملية محاكاة مستقلة بنفس الظروف الأولية.

الجدول 1

داخل المضيفينبين المضيفين
يلخص الجدول التباين داخل الخلايا (داخل المضيفين) وبين الخلايا (بين المضيفين) لمعلمات تكرار البلازميد ، والتي يتم تمثيلها على أنها الانحراف المعياري ، بمتوسط ​​الوقت وعبر 50 محاكاة عشوائية متعددة الخلايا عشوائية (تظهر متوسطات المعلمة البلازميدية المقابلة في الشكل 6). يتم حساب التباين داخل الخلية لجميع البلازميدات داخل مضيف فيما يتعلق بالمتوسط ​​داخل الخلية للمضيف ويتم حساب متوسطه عبر جميع المضيفين في السكان. يتم حساب التباين بين الخلايا للوسائل داخل الخلايا لجميع المضيفين فيما يتعلق بمتوسط ​​السكان (العالمي).

آثار تكاليف ضبط الأمن على تطور التصنيع باستخدام الحاسب الآلي

لقد بحثنا أيضًا في تأثير تكاليف الشرطة على تطور ضبط النفس الجماعي والأداء العام للسكان ، من خلال إدخال مصطلح تكلفة إضافي في المعادلة 1 ، حيث هي تكلفة الإنتاج لكل وحدة مثبط يدفعها المضيف. هذا يعني أنه يوجد الآن اختيار على المستوى بين الخلايا مقابل إنتاج موارد الشرطة ، بسبب التكاليف الشرطية المرتبطة التي تبطئ نمو المضيف. يوضح الشكل 7 أن الزيادة في تكاليف الشرطة تقابل انخفاض في إنتاج موارد الشرطة () ، ولكن ليس انهيار طاعة البلازميد () إلى الشرطة. على العكس من ذلك ، فإن الطاعة ليست مستدامة فحسب ، بل تزداد أيضًا بشكل طفيف مع ارتفاع تكاليف الشرطة. في نفس الوقت ، معدل تكرار البلازميد القاعدي () النقصان للتعويض عن الانخفاض التدريجي في توافر موارد الشرطة (). نتيجة لذلك ، يظل نظام CNC يعمل طوال الوقت (حيث لا يزال هناك اختيار على المستوى بين الخلايا للطاعة العالية ) ولكنها تصبح أقل كفاءة مع زيادة تكاليف العمل الشرطي ويتدهور أداء السكان مع انخفاض معدلات التقسيم للمضيفين ومعدلات أعلى من الفقد العنصري للبلازميدات (انظر الشكل 7).

متوسط ​​قيم معلمات البلازميد (, , ) ، ومعدلات تقسيم المضيف وفقدان الفصل ، وكذلك جزء من العوائل المصابة بالبلازميد في السكان (انتشار البلازميد) لتكاليف متفاوتة للشرطة. يتم التعبير عن الأخير هنا كتكلفة الإنتاج لكل وحدة مثبط نسبة إلى التكلفة العامة الثابتة للصيانة لكل نسخة بلازميد (مثل تكلفة التعبير الجيني ، النسخ المتماثل ، إلخ).

مقارنات بين ضبط النفس الفردي والجماعي

لا تقتصر التأثيرات الإيجابية لـ CNC على المضيفين ولكنها تمتد إلى البلازميدات أيضًا. قمنا بتقييم مزايا CNC للمضيفين والبلازميدات من خلال مقارنة نتائج عمليات محاكاة CNC العشوائية متعددة الخلايا (CNC تتطور) إلى تلك الموجودة في النموذج الأساسي حيث تغيب المراقبة وتتكاثر البلازميدات بشكل مستقل عن وجود البلازميدات الأخرى في نفس المضيف (NO-CNC يتطور ، ). تم تقييم أداء المضيف من حيث متوسط ​​معدلات الانقسام والوفاة ، بينما تم تقييم أداء البلازميدات على أساس دقة الانتقال الرأسي وانتشار البلازميدات في السكان المضيفين. يوضح الشكل 8 أن جميع التدابير قد تحسنت بشكل كبير عندما كانت CNC تعمل (محاكاة CNC) ، مقارنة بالحالة التي كانت فيها آلية CNC غائبة (محاكاة NO-CNC). على هذا النحو ، فإن التأثيرات المفيدة لآلية CNC على استقرار البلازميد ، بسبب التحكم الأكثر صرامة في تقلبات عدد النسخ العشوائية ، تسمح بانتشار عدوى المضيف وتقليل خسائر الفصل داخل الهوامش المسموح بها من خلال الانتقاء بين الخلايا ، وبالتالي ترسيخ الاستمرارية من سلالة البلازميد في السكان.

يتم قياس أداء المضيف من حيث التقسيم (أعلى اليسار) ومعدلات الوفاة (أعلى اليمين) ، بينما يتم قياس أداء البلازميدات من حيث الخسائر التفرقة (أسفل اليسار) وكسر العوائل المصابة بالبلازميد في السكان ( أسفل اليمين). يتم حساب معدل الفقد التفرقةي عن طريق تسجيل حالات خلية ابنة خالية من البلازميد تنشأ من خلية أصل مصابة بالبلازميد بين جميع أقسام الخلايا المصابة بالبلازميد في كل خطوة زمنية. يتم إجراء مقارنات بين النموذج الأساسي الذي لا يوجد فيه ضبط للشرطة (NO-CNC باللون الأزرق يتطور ، ) والنموذج الذي يسمح للشرطة والطاعة بالتطور (CNC باللون الأخضر تطور). تم حساب التوزيعات باستخدام قيم آخر 100000 خطوة لـ 50 محاكاة عشوائية متعددة الخلايا مع نفس الظروف الأولية واحتمال الطفرة .

أخيرًا ، قمنا أيضًا بالتحقيق في استمرار واستقرار آلية شرطية راسخة بين البلازميدات ضد غزو الأفراد الأنانيين ، أي البلازميدات غير الحساسة لمثبطات النسخ المتماثل وتتكاثر بشكل مستقل عن وجود البلازميدات الأخرى في نفس المضيف. وبشكل أكثر تحديدًا ، قمنا بمحاكاة المنافسة بين NO-CNC ( فقط مع ) و CNC () الأنواع (أ) عن طريق مزج كلا النوعين بالتساوي داخل العوائل (عدم التجانس داخل المضيف) و (ب) عن طريق توزيع النوعين بشكل منفصل وبالتساوي بين العوائل المختلفة في المجتمع (عدم التجانس بين المضيف). في كل حالة فحصناها ، لاحظنا التهجير السريع للنوع الأناني من السكان. يوضح الانتشار الكامل لنوع CNC قوة واستقرار آلية ضبط النفس الجماعي في مواجهة غزو العناصر الأنانية التي تتجاوز آلية الشرطة من أجل الحصول على ميزة نسبية في تجمع النسخ المتماثل داخل الخلية.


المواد والأساليب

جدول الكواشف والأدوات

كاشف / مورد المرجع أو المصدر رقم المعرف / الكتالوج
وسائط
لوريا بيرتاني (LB) BD ديفكو من Fisher Scientific DF0446 07 5
M9CA مسحوق مرق متوسط ​​امرسكو M9CA الكثير لا. 2055C146
البلازميدات
المتبرعون والمستفيدون
سلالة وراثية
المتبرع RP4 (لوباتكين وآخرون, 2016 ) DA32838 Eco galK :: cat-J23101-dTomato
المتبرع pR (لوباتكين وآخرون, 2016 ) DA26735 Eco lacIZYA :: FRT ، galK :: mTagBFP2-amp
P41 المتبرع (لوباتكين وآخرون, 2016 ) بكتريا قولونية عزل رقم 41
p168 المتبرع (لوباتكين وآخرون, 2016 ) بكتريا قولونية عزل رقم 168
المانح p193 (لوباتكين وآخرون, 2016 ) بكتريا قولونية عزل رقم 193
المتبرع p283 (هانديل وآخرون, 2015 ) ESBL 242
المتبرع R6K (لوباتكين وآخرون, 2016 ) بكتريا قولونية سي 600
المتبرع R6Kdrd هدية سخية من د.مازل (Baharoglu وآخرون, 2010 ) بكتريا قولونية درهم
المتبرع R1 هدية سخية من F. Dionisio و J. Alves Gama (Gama وآخرون, 2020 ) بكتريا قولونية MG1655 دارا
المتبرع R1drd هدية سخية من F. Dionisio و J. Alves Gama (Gama وآخرون, 2020 ) بكتريا قولونية MG1655 دارا
المتبرع pRK100 هدية سخية من T. Sysoeva بكتريا قولونية HB101
المتبرع RIP113 هدية سخية من د.مازل (Baharoglu وآخرون, 2010 ) بكتريا قولونية درهم
المتلقي RB933 هدية سخية من آي جوردو (ليونيداس كاردوسو وآخرون, 2020 ) الإشريكية القولونية لاسيزيا::ندب جالك::القط- YFP ∆gatZ::FRT-aph-FRT rpoB H526Y
MG1655 (لوباتكين وآخرون, 2016 ) بكتريا قولونية MG1655 (K-12 F - λ - ilvGrfb-50 rph-1)
DA838F (لوباتكين وآخرون, 2016 ) DA32838 Eco galK :: cat-J23101-dTomato
DA838 (لوباتكين وآخرون, 2016 ) DA32838 Eco galK :: cat-J23101-dTomato
P (مستلم p41 و p193 و p168) هذه الدراسة ، مخزون المختبر بكتريا قولونية MG1655 (K-12 F - λ - ilvGrfb-50 rph-1)
متلقي KPN (جوميز سيموندز وآخرون, 2015) Klebsiella pnseumoniae عزل KP0064 ، ST17
برمجة
ماتلاب ضد R2020a https://www.mathworks.com/products/matlab.html غير متاح
أدوات
قارئ لوحة Mplex لانهائي من Tecan تيكان غير متاح

الأساليب والبروتوكولات

سلالات، ووسائل الإعلام، وظروف النمو

بدأت التجارب باستنساخ واحد من ألواح أجار ، وتلقيحها في 2 مل من وسط Luria-Bertani (LB) ، وحضنت طوال الليل عند 37 درجة مئوية لمدة 16 ساعة بالضبط مع رجها عند 250 دورة في الدقيقة. عند الاقتضاء ، تم استكمال وسائط LB بمضادات حيوية محددة. على سبيل المثال ، لقياس تكلفة اكتساب RP4 ، D ، R ، و T المُكيَّفة تمت زراعتها باستخدام 50 ميكروغرام / مل كاناميسين (Kan) ، 50 ميكروغرام / مل سبيكتينوميسين (المواصفات) ، أو كليهما ، على التوالي (جدول الملحق S1A). بالنسبة لجميع مجموعات المتبرعين والمتلقيين الآخرين ، يمكن العثور على المضادات الحيوية والتركيزات ذات الصلة في الملحق الجدول S1B. تم إجراء جميع التجارب في وسط M9 (مسحوق المرق المتوسط ​​M9CA من Amresco ، الدفعة رقم 2055C146 ، تحتوي على 2 مجم / مل من حمض الكازامين ، مع إضافة 2 ملي مولار من MgSO.4، 0.1 ملي كاكل2 و 0.4٪ وزن / حجم جلوكوز.)

توليد متحولات RP4 معدلة

لتوليد T مُكيَّف ، نمت الحيوانات المستنسخة الفردية من D و R بين عشية وضحاها وفقًا للوصف السابق. بعد 16 ساعة ، تم تعليق جميع الثقافات بنسبة 1: 1 في M9CA. تم خلط أحجام متساوية (400 ميكرولتر لكل منهما) من D و R في أنبوب إيبندورف وحضنت لمدة ساعة واحدة في حاضنة تبريد عند 25 درجة مئوية. بعد فترة الاقتران ، تم وضع المخاليط على ألواح Spec-Kan ونمت لمدة 16 ساعة عند 37 درجة مئوية ، وهذا طويل بما يكفي لتمكين التكيف الفسيولوجي (إريكسون وآخرون، 2017) بدون طفرات جينية (Harrison وآخرون، 2016 لوباتكين وآخرون، 2017) ويتوافق مع البروتوكولات السابقة لتأسيس المتحولين لتقديرات تكلفة اللياقة (Buckner وآخرون، 2018 ديميتريو وآخرون, 2019 ).

تحديد تكلفة الشراء لـ RP4

لتوليد من جديد تم زراعة T ، المستنسخات الفردية من D و R بين عشية وضحاها وتم تصريفها كما هو موضح أعلاه. في موازاة ذلك ، نمت مستعمرات T المتكيفة بين عشية وضحاها لإنشاء المنحنى القياسي. خلال فترة الاقتران D و R ، تم أيضًا اقتطاع 800 ميكرولتر من T المُكيَّف في أنبوب إيبندورف ووضعه في حاضنة تبريد 25 درجة مئوية. بعد فترة الاقتران ، من جديد تم قياس كمية T من خليط D و R باستخدام وحدات تشكيل مستعمرة (CFU) أو عن طريق التخفيف في قارئ اللوحة. بالنسبة لـ CFU ، تم تخفيف خليط D و R بشكل متسلسل بزيادات تخفيف بمقدار 10 أضعاف. تم رصد 10 ميكرولتر من جميع عوامل التخفيف (10 0 - 10 7) على أطباق أجار Spec-Kan ، ثم حضنت لمدة 16 ساعة عند 37 درجة مئوية وتم عدها. بالنسبة لقارئ اللوحة ، تم تخفيف خليط D و R في وسائط M9CA التي تحتوي على Spec-Kan ، وتم اقتطاع 200 ميكرولتر في آبار لوحة 96 بئر في ثلاث نسخ تقنية. على النحو الذي تحدده التجارب التجريبية ، من جديد تم تخفيف T عند 1000 × لينتج عنه ما يقرب من 2000 خلية لكل بئر ، والذي وجد أنه منخفض بما يكفي لمنع نمو الخلفية أو الاقتران.

تم أيضًا قياس كمية CFU لـ T المعدلة في هذا الوقت باستخدام نفس البروتوكول كما هو موضح أعلاه. تم إنشاء المنحنى القياسي باستخدام سبعة عوامل تخفيف من T (الشكل 2 ب). تم تخفيف الخلايا التائية المتكيفة في وسط M9CA باستخدام Spec-Kan ، ثم تم طلاء 200 ميكرولتر من كل عامل تخفيف على نفس اللوحة ذات 96 بئراً ، وأيضاً في ثلاث نسخ تقنية. تم بعد ذلك تغطية جميع الآبار ب 50 ميكرولتر من الزيت المعدني لمنع التبخر ووضعها على الفور في قارئ لوحة Tecan. في جميع الحالات ، تم أخذ قراءات الامتصاص عند 600 نانومتر كل 15 دقيقة لمدة 24 ساعة على الأقل حتى وصلت جميع الخلايا إلى المرحلة الثابتة. أجريت جميع بيانات RP4 في ثلاث نسخ بيولوجية على الأقل.

عمومية تكاليف الشراء مع البلازميدات الأخرى

تم استخدام نفس بروتوكول الاقتران الموصوف أعلاه لجميع البلازميدات الإضافية مع بعض التعديلات. أولاً ، تعتمد المضادات الحيوية المستخدمة لانتقاء المتحوِّلين في كل حالة على جينات المقاومة المشفرة بالبلازميد وسلالة المتلقي المتوافقة (الملحق الجدول S1B). أيضًا ، من بين عوامل التخفيف السبعة المستخدمة لمنحنيات RP4 و pR القياسية ، وجدنا مجموعة فرعية من عوامل التخفيف عند 10 2 X و 10 4 X و 10 6 X كافية لتقدير تكاليف اقتناء كلا البلازميدات بدقة (كما هو محدد عند تحديدها) مع كل التخفيفات). وبالتالي ، تم استخدام عوامل التخفيف الثلاثة هذه لإنشاء منحنيات قياسية لبقية التجارب. كثافة الخلية القصوى (المحددة بواسطة OD600) ومعدلات النمو تختلف باختلاف السلالة والبلازميد ، بناءً على كفاءة الاقتران. في جميع الحالات ، تم تحديد عامل التخفيف في قارئ اللوحة بناءً على التجارب التجريبية لتحديد أعلى كثافة أولية في الآبار دون اقتران خلفية يمكن ملاحظته. في الحالات التي لا يمكن فيها القضاء على اقتران الخلفية تمامًا ، تم طرح النمو بحيث بقيت المرحلة الأسية. للبقاء باستمرار ضمن المرحلة الأسية ، تم تعيين كثافة خلية العتبة لتكون مساوية لـ 50٪ من الكثافة القصوى التي تم تحقيقها لكل تجربة ، ويبدو أن هذه القيمة تحدد باستمرار المنطقة المشار إليها في الشكل 2A كما هو موضح في النتائج. لا يؤثر تغيير العتبة في مرحلة النمو الأسي نوعيًا على استنتاجاتنا. أخيرًا ، نلاحظ أن تكاليف الاستحواذ كانت قابلة للتكرار بشكل كبير بين التكرارات البيولوجية (انظر الملحق الشكل S10A) في كثير من الحالات ، كان التباين أكبر بين الآبار الفردية في يوم معين بدلاً من القيم المتوسطة خلال اليوم ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى انخفاض عدد الخلايا لكل بئر مرة واحدة مخففة إلى 96 طبق جيدًا. عندما كانت النتائج المكررة البيولوجية قابلة للتكرار ولم تؤد إلى استنتاجات إحصائية مختلفة ، ركزنا بدلاً من ذلك على التباين التقني داخل تكرار تمثيلي. لذلك ، من خلال استخدام البيانات الأكثر تباينًا في أي حالة معينة ، فإننا نقوم بتعظيم دقة الاستنتاجات الإحصائية المرتبطة. في كل حالة ، يتم عرض أنواع النسخ المتماثل المستخدمة لإنشاء الإحصائيات في جدول الملحق S3A (الشكل 3H). نلاحظ أنه بغض النظر عن التكرارات المستخدمة لإنشاء إحصاءات ، تظل تكاليف الشراء المحددة متطابقة. علاوة على ذلك ، لم تتغير العلاقة بين الاستحواذ وتكلفة اللياقة اعتمادًا على ما إذا تم استخدام متوسطات التكرار البيولوجي بدلاً من ذلك (الملحق الشكل S10B).

حساب معدل النمو

أين ذ2 & GT ذ1، أين ذ2 و ذ1 هي OD600 في بعض الأحيان ر+2 و ر−2 على التوالي. تم العثور على وقت Prensky lag من خلال التقاطع x لخط الظل الذي يمر عبر معدل النمو الأقصى ، بما يتوافق مع وقت التأخر الهندسي في الشكل 2A.

تجارب المنافسة

تم إجراء جميع تجارب المنافسة في منشور سابق وتم إعادة إنتاج البيانات بإذن من Nature Communications (Lopatkin وآخرون، 2017) ، وهي مُرخصة بموجب الترخيص الدولي Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). باختصار ، تم خلط المجموعات السكانية الخالية من البلازميد والحاملة للبلازميد بنسبة 1: 1 ونمت على مدى الأجيال المتعاقبة لمدة تتراوح بين 14-21 يومًا. كل 24 ساعة ، تم تخفيف عدد السكان بمقدار 10000 × ، وتمت مراقبة CFU على فترات منتظمة على أجار مزدوج الانتقائي.

حسابات النموذج

تم تشغيل المحاكاة لحساب معدل النمو الملحوظ ، μObs، ومعدل النمو الأقصى المحدد ، μ ، لمجموعة من قيم α و (الشكل 4 أ). ميكرومترObs تم حسابه كما هو موضح في معادلة الملحق S6. ميكرومترObs تم تحديد أنه يختلف عدديًا عن μ بناءً على أي معدل نمو ملحوظ انخفض إلى أقل من 98٪ من القيمة القصوى (على سبيل المثال ، إذا μObs & lt 0.98 * μ). في جميع حالات ملاءمة البيانات ، تم حسابها باستخدام وظيفة fminsearch في MATLAB. fminsearch هي وظيفة تحسين تقلل من أي وظيفة موضوعية يحددها المستخدم ، وتتطلب تقديرًا أوليًا للمعامل (المعلمات) المراد تركيبها. في حالتنا ، قمنا بتنفيذ هذا الملاءمة عن طريق تقليل الفرق بين حل ODE لـ S D + S A ، ومنحنيات البيانات الخام كما هو موضح في الملحق الشكل S7 حيث تم تقييد بالتقدير التجريبي لنسبة معدلات النمو بين المعدلات المعدلة و من جديد السكان ، كانت المعلمة المجانية الوحيدة المتبقية ليتم تركيبها. وبالتالي ، بالنسبة لكل بلازميد ، تم تعيين تقدير β الأولي ليكون وقت التأخر الهندسي لمنحنى النمو المقابل ، وكان ناتج تحسين fminsearch تقديريًا يناسب بياناتنا التجريبية بشكل أفضل.


مراجع

سلاتر FR ، Bailey MJ ، Tett AJ ، Turner SL: التقدم نحو فهم مصير البلازميدات في المجتمعات البكتيرية. علم الأحياء الدقيقة في علم البيئة. 2008 ، 66 (1): 3-13. 10.1111 / j.1574-6941.2008.00505.x.

Frost LS، Leplae R، Summers AO، Toussaint A: العناصر الوراثية المتنقلة: عوامل تطور المصدر المفتوح. مراجعات الطبيعة علم الأحياء الدقيقة. 2005 ، 3 (9): 722-732. 10.1038 / nrmicro1235.

إبرهارد دبليو جي: التطور في البلازميدات البكتيرية ومستويات الانتقاء. المراجعة ربع السنوية للبيولوجيا. 1990 ، 65 (1): 3-22. 10.1086 / 416582.

Medini D ، Donati C ، Tettelin H ، Masignani V ، Rappuoli R: الجينوم الميكروبي. الرأي الحالي في علم الوراثة وتطوير الأمبير. 2005 ، 15 (6): 589-594.

Tsuda M ، Tan HM ، Nishi A ، Furukawa K: جينات تقويضية متنقلة في البكتيريا. مجلة العلوم الحيوية والهندسة الحيوية. 1999 ، 87 (4): 401-410. 10.1016 / S1389-1723 (99) 80086-3.

Khomenkov VG و Shevelev AB و Zhukov VG و Zagustina NA و Bezborodov AM و Popov VO: تنظيم المسارات الأيضية والآليات الجزيئية الجينية لتدهور الكائنات الحية الدقيقة في الكائنات الحية الدقيقة: مراجعة. الكيمياء الحيوية التطبيقية وعلم الأحياء الدقيقة. 2008 ، 44 (2): 117-135.

Dutta C ، Pan A: نقل الجينات الأفقي والتنوع البكتيري. مجلة العلوم البيولوجية. 2002 ، 27 (1): 27-33. 10.1007 / BF02703681.

Osborn AM ، Boltner D: عندما تصطدم العاثيات ، والبلازميدات ، والترانسبوزونات: الجزر الجينومية ، واللينقولات المقترنة والقابلة للتعبئة باعتبارها سلسلة متصلة من الفسيفساء. بلازميد. 2002 ، 48 (3): 202-212. 10.1016 / S0147-619X (02) 00117-8.

Davison J: التبادل الجيني بين البكتيريا في البيئة. بلازميد. 1999 ، 42 (2): 73-91. 10.1006 / plas.1999.1421.

Bergstrom CT ، Lipsitch M ، Levin BR: الانتقاء الطبيعي ، النقل المعدي وظروف وجود البلازميدات البكتيرية. علم الوراثة. 2000 ، 155: 1505-1519.

Zaneveld JR، Nemergut DR، Knight R: هل تم إنشاء جميع عمليات نقل الجينات الأفقية على قدم المساواة؟ آفاق الدراسات القائمة على الآلية لأنماط HGT. علم الأحياء الدقيقة- Sgm. 2008 ، 154: 1-15. 10.1099 / ميكروفون .0.2007 / 011833-0.

Fernández-López R، Garcillán-Barcia MP، Revilla C، Lázaro M، Vielva L، dlC F: تشير ديناميكيات العمود الفقري الوراثي IncW إلى اتجاهات عامة في تطور البلازميد الاقتراني. مراجعات علم الأحياء الدقيقة FEMS. 2006 ، 30 (6): 942-966. 10.1111 / j.1574-6976.2006.00042.x.

Cevallos MA ، Cervantes-Rivera R ، Gutierrez-Rios RM: عائلة البلازميد repABC. بلازميد. 2008 ، 60 (1): 19-37. 10.1016 / j.plasmid.2008.03.001.

بنتلي إس دي ، باركهيل جيه: التركيب الجيني المقارن بدائيات النوى. المراجعة السنوية لعلم الوراثة. 2004 ، 38: 771-792. 10.1146 / annurev.genet.38.072902.094318.

Brilli M و Mengoni A و Fondi M و Bazzicalupo M و Liò P و Fani R: تحليل جينات البلازميد عن طريق التنميط الوراثي وتصور علاقات التماثل باستخدام Blast2Network. المعلوماتية الحيوية BMC. 2008

Peleg AY، Seifert H، Paterson DL: راكدة بومانية: ظهور مُمْرِض ناجح. مراجعات علم الأحياء الدقيقة السريرية. 2008 ، 21 (3): 538-582. 10.1128 / CMR.00058-07.

Juni E: التحول بين الأنواع Acinetobacter: دليل وراثي لجنس موجود في كل مكان. J باكتيريول. 1972 ، 112 (2): 917-931.

Chen TL ، Siu LK ، Lee YT ، Chen CP ، Huang LY ، Wu RCC ، Cho WL ، Fung CP: Acinetobacter baylyi كممرض للعدوى الانتهازية. مجلة علم الأحياء الدقيقة السريرية. 2008 ، 46 (9): 2938-2944. 10.1128 / JCM.00232-08.

Dijkshoorn L، Nemec A، Seifert H: تهديد متزايد في المستشفيات: مقاومة للأدوية المتعددة راكدة بومانية. نات ريف ميكروبيول. 2007 ، 5 (12): 939-951. 10.1038 / nrmicro1789.

Davis KA ، و Moran KA ، و McAllister CK ، و Gray PJ: مقاوم للأدوية المتعددة Acinetobacter التهابات الأطراف في الجنود. ظهور تصيب ديس. 2005 ، 11 (8): 1218-1224.

Nemec A و Musilek M و Maixnerova M و De Baere T و Reijden van der TJ و Vaneechoutte M و Dijkshoorn L: Acinetobacter beijerinckii ص. نوفمبر و Acinetobacter gyllenbergii sp. نوفمبر ، الكائنات المحللة للدم المعزولة من البشر. Int J Syst Evol Microbiol. 2009 ، 59 (جزء 1): 118-124. 10.1099 / ijs.0.001230-0.

Dijkshoorn L، Nemec A: تنوع جنس Acinetobacter. علم الأحياء الدقيقة الجزيئي Acinetobacter. حرره: يو جيريشر. 2008 ، Caister Academic Press ، 1-34.

Iacono M ، و Villa L ، و Fortini D ، و Bordoni R ، و Imperi F ، و Bonnal RJP ، و Sicheritz-Ponten T ، و De Bellis G ، و Visca P ، و Cassone A ، وآخرون: تسلسل الجينوم الكامل لوباء مقاوم للأدوية المتعددة راكدة بومانية سلالة تنتمي إلى المجموعة الأوروبية المستنسخة II. عوامل مضادات الميكروبات والعلاج الكيميائي. 2008 ، 52 (7): 2616-2625. 10.1128 / AAC.01643-07.

Reams AB ، Neidle EL: مرونة الجينوم في Acinetobacter: قدرات تدهور جديدة اكتسبها التضخيم التلقائي لشرائح صبغية كبيرة. علم الأحياء الدقيقة الجزيئي. 2003 ، 47 (5): 1291-1304. 10.1046 / j.1365-2958.2003.03342.x.

Mugnier P ، Poirel L ، Pitout M ، Nordmann P: عزلات Acinetobacter baumannii المقاومة للكاربابينيم و OXA-23 في الإمارات العربية المتحدة. علم الأحياء الدقيقة السريرية والعدوى. 2008 ، 14 (9): 879-882. 10.1111 / j.1469-0691.2008.02056.x.

Marti S، Sanchez-Cespedes J، Blasco MD، Ruiz M، Espinal P، Alba V، Fernandez-Cuenca F، Pascual A، Vila J: توصيف carbapenem-hydrolyzing oxacillinase Oxa-58 في an Acinetobacter جينات 3 عزلة سريرية. عوامل مضادات الميكروبات والعلاج الكيميائي. 2008 ، 52 (8): 2955-2958. 10.1128 / AAC.00072-08.

Hawkey PM ، Munday CJ: مقاومة متعددة للبكتيريا سالبة الجرام. مراجعات في علم الأحياء الدقيقة الطبية. 2004 ، 15 (2): 51-61.

Bach H ، Gutnick DL: تركيبات أمفيباثيك القائمة على البروتين متعدد السكريات. علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والتكنولوجيا الحيوية. 2006 ، 71 (1): 34-38. 10.1007 / s00253-005-0149-9.

Morales-Jimenez J ، Zuniga G ، Villa-Tanaca L ، Hernandez-Rodriguez C: المجتمع البكتيري وتثبيت النيتروجين في خنفساء التربنتين الحمراء ، Dendroctonus valens LeConte (Coleoptera: Curculionidae: Scolytinae). ميكروب ايكول. 2009

de Vries J ، Wackernagel W: تكامل الحمض النووي الغريب أثناء التحول الطبيعي لـ Acinetobacter س عن طريق إعادة التركيب غير الشرعي الميسر من التماثل. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية. 2002 ، 99 (4): 2094-2099. 10.1073 / بناس .042263399.

Young DM ، Parke D ، Ornston LN: الفرص المتاحة للتحقيق الجيني Acinetobacter baylyi، نوع بكتيري متعدد الاستخدامات من الناحية التغذوية وهو ذو كفاءة عالية في التحول الطبيعي. Annu Rev Microbiol. 2005 ، 59: 519-551.10.1146 / annurev.micro.59.051905.105823.

Decorosi F ، Mengoni A ، Baldi F ، Fani R: التعرف على جينات الألكان مونوكسيجيناز في Acinetobacter venetianus VE-C3 وتحليل الطفرات المعطوبة في تحلل وقود الديزل. حوليات علم الأحياء الدقيقة. 2006 ، 56 (3): 207-214. 10.1007 / BF03175007.

Barberio C ، Fani R: التنوع البيولوجي في أ Acinetobacter عزل السكان عن الحمأة المنشطة. البحث في علم الأحياء الدقيقة. 1998 ، 149 (9): 665-673. 10.1016 / S0923-2508 (99) 80014-X.

Mengoni A و Ricci S و Brilli M و Baldi F و Fani R: تسلسل وتحليل البلازميدات pAV1 و pAV2 من Acinetobacter venetianus تشارك VE-C3 في تدهور وقود الديزل. حوليات علم الأحياء الدقيقة. 2007 ، 57 (4): 521-526. 10.1007 / BF03175349.

Osborn AM و Bruce KD و Strike P و Ritchie DA: التوزيع والتنوع وتطور عامل مقاومة الزئبق البكتيري (mer). FEMS Microbiol القس. 1997 ، 19 (4): 239-262. 10.1111 / j.1574-6976.1997.tb00300.x.

Kholodii G ، Mindlin S ، Gorlenko Z ، Petrova M ، Hobman J ، Nikiforov V: إزفاء النقل الناقص (Tn (d) PKLH2-like) في البيئة الطبيعية: رؤى ميكانيكية من دراسة متواليات الحمض النووي المجاورة. علم الأحياء الدقيقة- Sgm. 2003 ، 150: 979-992. 10.1099 / ميكروفون.0.26844-0.

تيان دبليو ، سكولنيك جيه: ما مدى جودة حفظ وظيفة الإنزيم كدالة لهوية التسلسل الزوجي ؟. J مول بيول. 2003 ، 333 (4): 863-882. 10.1016 / j.jmb.2003.08.057.

Gonzalez FA ، Bonapace E ، Belzer I ، Friedberg I ، Heppel LA: يمكن تمييز اثنين من المستقبلات المتميزة لـ ATP في الأرومات الليفية الفأرية السويسرية 3T6 عن طريق إزالة حساسيتها. Biochem Biophys Res Commun. 1989 ، 164 (2): 706-713. 10.1016 / 0006-291X (89) 91517-9.

Walther-Rasmussen J ، Hoiby N: OXA من نوع carbapenemases. ي أنتيميكروب كيميوثر. 2006 ، 57 (3): 373-383. 10.1093 / JAC / DKI482.

Soisson SM ، MacDougall-Shackleton B ، Schleif R ، Wolberger C: الأساس الهيكلي لتقسيم قليل من AraC المنظم بواسطة الترابط. علم. 1997 ، 276 (5311): 421-425. 10.1126 / العلوم .276.5311.421.

Heuer H و Szczepanowski R و Schneiker S و Puhler A و Top EM و Schluter A: توفر التسلسلات الكاملة للبلازميدات pB2 و pB3 دليلاً على سلف حديث لمجموعة IncP-1beta بدون أي جينات ملحقة. علم الاحياء المجهري. 2004 ، 150 (جزء 11): 3591-3599. 10.1099 / ميكروفون .0.27304-0.

Rawlings DE: تطور pTF-FC2 و pTC-F14 ، وهما بلازميدان مرتبطان من عائلة IncQ. بلازميد. 2005 ، 53 (2): 137-147. 10.1016 / j.plasmid.2005.01.001.

Jerke K ، و Nakatsu CH ، و Beasley F ، و Konopka A: تحليل مقارن لثمانية مفصليات البلازميدات. بلازميد. 2008 ، 59 (2): 73-85. 10.1016 / j.plasmid.2007.12.003.

Mann BA ، Slauch JM: تحويل البلازميدات ذات عدد النسخ المنخفض عن طريق البكتيريا P22. علم الوراثة. 1997 ، 146 (2): 447-456.

Vaneechoutte M، Young DM، Ornston LN، De Baere T، Nemec A، Reijden Van Der T، Carr E، Tjernberg I، Dijkshoorn L: قابل للتحول بشكل طبيعي Acinetobacter sp سلالة ADP1 ينتمي إلى الأنواع الموصوفة حديثًا Acinetobacter baylyi. علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي. 2006 ، 72 (1): 932-936. 10.1128 / AEM.72.1.932-936.2006.

Watson SK ، Carter PE: التأثيرات البيئية على Acinetobacter sp سلالة التحول BD413 في التربة. بيولوجيا وخصوبة التربة. 2008 ، 45 (1): 83-92. 10.1007 / s00374-008-0314-2.

Pontiroli A ، Rizzi A ، Simonet P ، Daffonchio D ، Vogel TM ، Monier JM: دليل مرئي على انتقال الجينات الأفقي بين النباتات والبكتيريا في الغلاف النباتي للتبغ عبر البلاستوم. علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي. 2009 ، 75 (10): 3314-3322. 10.1128 / AEM.02632-08.

Johnsborg O ، Eldholm V ، Havarstein LS: التحول الجيني الطبيعي: الانتشار والآليات والوظيفة. البحث في علم الأحياء الدقيقة. 2007 ، 158 (10): 767-778. 10.1016 / j.resmic.2007.09.004.

Barbe V و Vallenet D و Fonknechten N و Kreimeyer A و Oztas S و Labarre L و Cruveiller S و Robert C و Duprat S و Wincker P وآخرون: ميزات فريدة كشف عنها تسلسل الجينوم لـ Acinetobacter sp ADP1 ، بكتيريا متعددة الاستخدامات وتتحول بشكل طبيعي. بحوث الأحماض النووية. 2004 ، 32 (19): 5766-5779. 10.1093 / nar / gkh910.

إيواكي إم ، أراكاوا واي: تحول Acinetobacter sp BD413 مع الحمض النووي من البطاطس والبابايا المعدلة وراثيًا المتاحة تجارياً. رسائل في علم الأحياء الدقيقة التطبيقي. 2006 ، 43 (2): 215-221. 10.1111 / j.1472-765X.2006.01924.x.

Vallenet D و Nordmann P و Barbe V و Poirel L و Mangenot S و Bataille E و Dossat C و Gas S و Kreimeyer A و Lenoble P وآخرون: تحليل مقارن لـ Acinetobacters: ثلاثة جينومات لثلاثة أنماط حياة. بلوس واحد. 2008 ، 3 (3): e1805-10.1371 / journal.pone.0001805.

Fournier PE و Vallenet D و Barbe V و Audic S و Ogata H و Poirel L و Richet H و Robert C و Mangenot S و Abergel C وآخرون: الجينوميات المقارنة لمقاومة الأدوية المتعددة في راكدة بومانية. بلوس جينيت. 2006 ، 2 (1): e7-10.1371 / journal.pgen.0020007.

Smith MG ، و Gianoulis TA ، و Pukatzki S ، و Mekalanos JJ ، و Ornston LN ، و Gerstein M ، و Snyder M: رؤى جديدة حول راكدة بومانية تم الكشف عن التسبب في الإصابة عن طريق الطفرات الحرارية عالية الكثافة وطفرات الترانسبوزون. تطوير الجينات. 2007 ، 21 (5): 601-614. 10.1101 / جاد 1510307.

Barbe V و Vallenet D و Fonknechten N و Kreimeyer A و Oztas S و Labarre L و Cruveiller S و Robert C و Duprat S و Wincker P وآخرون: ميزات فريدة كشف عنها تسلسل الجينوم لـ Acinetobacter ص. ADP1 ، بكتيريا متعددة الاستخدامات وتتحول بشكل طبيعي. الدقة الأحماض النووية. 2004 ، 32 (19): 5766-5779. 10.1093 / nar / gkh910.

Altschul SF و Madden TL و Schaffer AA و Zhang J و Zhang Z و Miller W و Lipman DJ: Gapped BLAST و PSI-BLAST: جيل جديد من برامج البحث في قواعد بيانات البروتين. الدقة الأحماض النووية. 1997 ، 25 (17): 3389-3402. 10.1093 / nar / 25.17.3389.

Dorsey CW ، Tomaras AP ، Actis LA: تسلسل وتنظيم pMAC ، و راكدة بومانية الجينات التي تأوي البلازميد تشارك في مقاومة الأكسيد الفوقي العضوي. بلازميد. 2006 ، 56 (2): 112-123. 10.1016 / j.plasmid.2006.01.004.

Zarrilli R، Vitale D، Di Popolo A، Bagattini M، Daoud Z، Khan AU، Afif C، Triassi M: الجين blaOXA-58 المحمول بالبلازميد يمنح مقاومة إيميبينيم راكدة بومانية يعزل من مستشفى لبناني. وكلاء مضادات الميكروبات Chemother. 2008 ، 52 (11): 4115-4120. 10.1128 / AAC.00366-08.


المركبات وأجهزة النسخ والحركة بين الخلايا للمعلومات الجينية: التشريح التطوري للخلية البكتيرية

المحيط الحيوي بدائية النواة متنوع إلى حد كبير في العديد من النواحي. قد تحتوي أي خلية بكتيرية معينة في مجموعات مختلفة من الفيروسات والبلازميدات والترانسبوزونات والعناصر الوراثية الأخرى جنبًا إلى جنب مع كروموسومها (صِبغياتها). تتفاعل هذه العوامل في بيئات معقدة بطرق مختلفة مسببة العديد من التأثيرات المظهرية على الخلايا المضيفة. في هذه المناقشة ، أقوم بإجراء تشريح لخلية بكتيرية من أجل تبسيط التنوع إلى مكونات قد تساعد في الاقتراب من محيط التفاصيل في العوالم الميكروبية المتطورة. يتم فصل الخلية نفسها عن جميع المضاعفات الجينية التي تستخدم المركبات الخلوية للحفظ والتكاثر. لقد قدمت تصنيفًا يجمع المتكاثرات المختلفة وفقًا لإمكانات حركتها الأفقية بين الخلايا ووفقًا لتأثيراتها على ملاءمة الخلايا المضيفة الحالية. يستخدم التصنيف لمناقشة وتحسين الوسائل التي نتعامل بها مع الميول التطورية العامة في المجتمعات الميكروبية. علاوة على ذلك ، يتم استخدام التصنيف كأداة للمساعدة في صياغة الفرضيات التطورية ومناقشة مسببات الأمراض البكتيرية الناشئة وكذلك لتعزيز فهم الأنماط الظاهرية لمتوسطات مختلفة بشكل عام. نوقش أيضًا أن أي محيط حيوي يشتمل على مركبات خلايا بدائية النواة ومضاعفات جينية قد يتطور بشكل طبيعي ليكون له مكررات أفقية متحركة من أنواع مختلفة.

1 المقدمة

من المعروف أن الفيروسات التي تصيب الخلايا بدائية النواة متنوعة بشكل كبير من حيث المعلومات الجينية [1 ، 2]. من المحتمل أن تحتوي معظم العزلات الفيروسية الجديدة على الأقل على بعض الجينات التي ليس لها متماثلات بين أي من الجينات المعروفة سابقًا ، بما في ذلك جينومات الفيروسات ذات الصلة [3]. ومع ذلك ، كان هناك خلاف حول ما إذا كانت الجينات الجديدة قد تظهر بالفعل في الفيروسات [3]. تعتمد الفيروسات على الموارد الخلوية مثل النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية والدهون لإنتاج المزيد من الفيروسات ، لذلك يبدو من المبرر التساؤل عما إذا كانت تستخدم أيضًا الجينات الخلوية للحصول على معلوماتها الجينية. ومع ذلك ، عند مقارنة الجينات الفيروسية بالجينات الأخرى في قواعد البيانات ، يبدو غالبًا أنه ليس لها نظائر خلوية [2]. من أين إذن تأتي هذه الجينات الفيروسية؟ هل تم الحصول عليها من مضيف خلوي لم نقم بتسلسله من قبل؟ أو بدلاً من ذلك ، هل الجينات الخلوية ربما تتطور بسرعة في الجينومات الفيروسية بحيث لا يمكن اشتقاق أسلافها المشتركة مع الجينات المضيفة؟ أو ربما ، هل من الممكن بالفعل أن تظهر جينات جديدة بالفعل في الفيروسات نفسها؟

جادل Forterre و Prangishvili من معهد باستير بأن جوهر النزاع يبدو أنه يكمن في فكرة أن الفيروسات غالبًا ما تكون مجرد أشكال خارج الخلية مغلفة بالبروتين [4] والتي لا تسرق سوى الموارد الخلوية (بما في ذلك الجينات) لأغراضها الخاصة [3 ، 5 ، 6]. خذ أي كتاب مدرسي عن الفيروسات ، ومعظم الصور التي تمثل الفيروسات هي من أنواع مختلفة من الأصداف الفيروسية المكونة من البروتينات (وأحيانًا الدهون) التي تحيط بالجينوم الفيروسي. لكن هذه الجسيمات الفيروسية المعدية ، أو الفيروسات ، تكون خاملة من جميع النواحي ما لم تصادف خلية مضيفة حساسة [7]. وبسبب خمول الفيروسات من الصعب فهم كيف يمكن للفيروس أن يبتكر جينات جديدة تمامًا.

الإجابة ، بطبيعة الحال ، هي أن الفيروسات لا تستطيع إنتاج جينات جديدة خلال حالتها خارج الخلية ، وبالتالي فإن أي حدث محتمل لظهور جين فيروسي جديد يجب أن يستمر داخل الخلية أثناء دورة تكاثر الفيروس [5]. لكن إذا ظهر الجين في جينوم الفيروس ، فهل يكون الفيروس ، وليس الخلية ، هو منشأ هذا الجين؟ أو بعبارة أخرى ، ألم يكن الفيروس هو الذي استفاد من ظهور معلومات وراثية جديدة؟ ستظل العملية الفعلية التي تؤدي إلى اكتساب المعلومات الجينية لحالة الجين بسبب عمليات مماثلة مثل أصل الجينات داخل الكروموسومات (هذه أنواع مختلفة من التغييرات الجينية ، مثل طفرات النقطة ، والإدخال ، والحذف ، وازدواج الجينات ، إلخ) ، ولكن سيتم اختيار هذه التغييرات نظرًا لتحسينها في ملاءمة الفيروس. هذا المنطق جعل فورتيري يقترح نموذجًا يُنظر فيه إلى الفيروسات أساسًا على أنها شكل من أشكال الحياة الخلوية التي يمكن أن يكون لها أيضًا حالة خارج الخلية [7 ، 8]. الفيروس لا يعادل بشكل صارم الجينوم الفيروسي المغلق بالبروتين. بدلاً من ذلك ، يجب الإشارة إلى الشكل خارج الخلية للفيروس على أنه فيريون ، ولا ينبغي الخلط بين هذا الفيروس والفيروس. الفيروسات ، بالمعنى الكامل ، كائنات حية تعيش داخل الخلايا (أي الكائنات الحية المشفرة للريبوسوم) ويمكنها تحويل الخلايا الأخرى إلى كائنات خلايا فيروسية عن طريق إنتاج المزيد من الفيروسات. بمعنى آخر ، يمكن للفيروسات استخدام شكل مغلف خارج الخلية لنقل معلوماتها الجينية من خلية إلى أخرى. صاغ Forterre مصطلح فيروسيل، والتي تشير إلى مرحلة الحياة الفيروسية التي يكون فيها الفيروس داخل الخلية [7]. الكائن الحي الفيروسي هو في الواقع فيروس (ترميز القفيصة) وكروموسوم (ترميز الريبوسوم) ، ويتم ترميز النمط الظاهري الفعلي للخلية الفيروسية بواسطة كل من هذه الكيانات الجينية. الخلايا الفيروسية قادرة تمامًا على التوصل إلى معلومات وراثية جديدة تمامًا مثل الخلايا ، وبالتالي فإن الاقتراب من الفيروسات من هذا المنظور يجب أن يزيل أي خلافات حول ظهور معلومات وراثية جديدة في الفيروسات.

خط تفكير Forterre جنبًا إلى جنب مع دراساتي الخاصة حول مختلف العناصر الجينية (بما في ذلك توصيف الفيروسات المعتدلة والخبيثة [9 ، 10] تحديد السلف المشترك بين البلازميدات والفيروسات والعناصر الصبغية [11] إجراء تجارب التطور مع البكتيريا والفيروسات ، والبلازميدات [12 ، 13] بالإضافة إلى المزيد من الأعمال النظرية حول الحركة الأفقية للمعلومات الجينية [14 ، 15]) كانت بمثابة مصدر إلهام لهذه الورقة. في الواقع ، يمكن القول بعبارات أكثر عمومية ما يعنيه أن الخلايا بدائية النواة يمكن أن تكون (وغالبًا ما تكون) كائنات من أنواع مختلفة من العناصر المتكاثرة وراثيًا. يزيل مفهوم Virocell بشكل فعال العديد من الالتباسات بين الفيروسات والفيروسات وعلاقتها بالخلايا. ومع ذلك ، فإن virocell ليست سوى حالة خاصة بين جميع الأنواع الممكنة من الكائنات بدائية النواة. يمكن أن تحتوي الخلايا البكتيرية والبدائية أيضًا على بلازميدات مقترنة ، وأنواع مختلفة من الينقولات ، ونباتات معيبة ، والعديد من المضاعفات المستقلة الأخرى التي تختلف عن كروموسوم بدائية النواة الذي يشفر الريبوسوم. يمكن لهذه المضاعفات معًا إنتاج الكائنات الحية في جميع التوليفات الممكنة. من أجل أن تكون الحجج حول الخلايا الفيروسية متسقة مع الكيميرات المحتملة الأخرى للتكاثر الجيني ، يجب اعتبار الخلية نفسها ككيان منفصل عن جميع المضاعفات الجينية (بما في ذلك الكروموسومات) التي تستغل بنية الخلية للتكاثر. سأقوم في الفصول التالية بإجراء تشريح تطوري لخلية بكتيرية. سيؤدي ذلك إلى فصل المركبات الخلوية والمضاعفات عن بعضها البعض ، وبالتالي يوفر طريقة واحدة محتملة لمقاربة تطور الكائنات البكتيرية.

2. المركبات وأجهزة النسخ

السيارة هي أي وحدة منفصلة بما يكفي لتبدو تستحق التسمية ، والتي تضم مجموعة من النسخ المتماثلة والتي تعمل كوحدة للحفاظ على تلك النسخ المتماثلة ونشرهاكتب ريتشارد دوكينز في النمط الظاهري الممتد. استخدم دوكينز مفاهيم المضاعفات والمركبات في حجة تنص على أن التطور يعمل في نهاية المطاف على مستوى المعلومات الجينية وليس على مستوى تجمعات الكائنات الحية أو الأنواع أو حتى الخلايا. تشير أجهزة النسخ المتماثل إلى حزم المعلومات الجينية المسؤولة عن أي نمط ظاهري فعال للمركبة. يمكن أن تكون المركبة نفسها خلية ، أو كائنًا متعدد الخلايا ، أو ، على سبيل المثال ، الكائن الحي المضيف لطفيلي. "السيارة ليست مكررة"، جادل دوكينز في محاولة للتأكيد على أن المضاعف (مثل كروموسوم الطفيلي) وليس السيارة (مثل الخلية الطفيلية) هو الذي يتطور. ومع ذلك ، قد يبدو هذا الاختلاف تافهًا في بعض الأحيان ، ولهذا السبب تسبب في بعض التنافر بين علماء الأحياء التطورية.

ومع ذلك ، ركز عمل دوكينز في الغالب على شرح القضايا التطورية للكائنات حقيقية النواة ، ولكن التطور المتمركز حول المضاعف يعمل بشكل طبيعي أيضًا داخل الخلايا بدائية النواة وفيما بينها. في الواقع ، هناك تنوع كبير في أشكال مختلفة من المضاعفات الجينية التي تستخدم مركبات الخلايا بدائية النواة لحفظها وانتشارها. أي بدائيات نوى معينة تعيش في هذا المحيط الحيوي ، كونها بكتيريا على جبهتك أو أركون في قاع المحيط الهادئ ، تحتوي على كروموسوم ولكنها قد تستضيف أيضًا مجموعة من المتكاثرات الأخرى ، بما في ذلك البلازميدات ، الترانسبوزونات ، والفيروسات. بعض المتكاثرات ، مثل البلازميدات المقترنة والفيروسات ، قادرة على التحرك بنشاط بين المركبات المتاحة في بيئتها ، مما يجعل هذه المضاعفات أقل اعتمادًا على بقاء أي سلالة معينة من المركبات الخلوية. لذلك فهي ليست جزءًا متأصلًا في أي بكتيريا معينة ، وبالتالي يمكن اعتبارها أشكالًا متميزة من الكيانات المتكاثرة وراثيًا التي تستخدم الخلايا لتكاثرها وبقائها (على نحو مشابه مع الفيروسات في مفهوم الخلية الفيروسية لـ Forterre).

إن الكفاح المستمر من أجل الوجود داخل وبين المركبات بدائية النواة يعدل الأنماط الظاهرية للنسخ المتماثلة. تم إجراء الكثير من العمل النظري والتجريبي من أجل توضيح الوظائف والمسارات التطورية للفيروسات والخلايا البكتيرية والبلازميدات في سياقات بيئية مختلفة وتحت ضغوط اختيار مختلفة. ومع ذلك ، في هذه المناقشة ، أتخذ خطوة بعيدًا عن أي نوع معين من المضاعفات أو الكائن الحي واستكشف من منظور عام ما إذا كانت إمكانات الحركة الجانبية (أو عدم وجودها) للمضاعفات يمكن أن تساعد في إلقاء الضوء على بعض الجوانب التطورية للمحيط الحيوي بدائية النواة . تحاول هذه المناقشة تقديم وجهة نظر بديهية حول الجينات الأنانية وأنواع مختلفة من التكاثر في الخلايا البكتيرية والبدئية. أعتزم إبقاء النص بسيطًا وقابل للقراءة بغض النظر عن خبرة القارئ في البكتيريا والفيروسات والبلازميدات أو ، في هذا الصدد ، النظرية التطورية. علاوة على ذلك ، نظرًا للكم الهائل من التفاصيل في عالم الميكروبات ، آمل أن يدرك القراء أنه يجب قطع زوايا معينة في أماكن مختلفة من أجل إبقاء النص ضمن الطول الواقعي.

علاوة على ذلك ، في محاولة للحفاظ على البساطة ، تم استخدام المصطلحات والتعاريف التالية في جميع أنحاء هذه الورقة. أ مركبة خلوية يشير إلى خلية بدائية النواة بأغشية وموارد وكل شيء آخر ولكنه يستبعد أي مادة وراثية. نسب المركبة الخلوية يشير إلى مركبة واحدة وسليلها المباشر الذي ينشأ عن طريق انقسام الخلية. أ مكرر هي أي مجموعة منفصلة كافية من المواد الجينية (يبدو أنها تستحق التسمية) ، والتي تستخدم مركبة الخلية لحفظها ونشرها. يتم تكرار النسخ المتماثل كوحدات متميزة تشكل مجموعة متماسكة من المواد الجينية التي يمكن فصلها بجهد معقول عن النسخ الأخرى. يمكن تكرار النسخ المتماثل كجزء من النسخ المتماثل للنسخ المتماثلة الأخرى ، حيث يتم نسخ الفيروسات التكاملية جنبًا إلى جنب مع مضاعفة كروموسوم المضيف ، ولكن بشكل أساسي يمكن الإشارة إلى هذين المضاعفين على أنهما كيانان متميزان بالنظر إلى أن الفيروس التكاملي يمكن أن يكرر معلوماته الجينية أيضًا بشكل منفصل من تكرار الكروموسوم. الوسيلة التي يتم بها نسخ المعلومات الجينية للنسخ المتماثل ليست ذات صلة. ومع ذلك ، أفضل عدم وضع تعريف صارم للغاية للنسخ المتماثل لأنه من المحتمل أن يؤدي إلى حجج غير منتجة لتقسيم الشعر.ومع ذلك ، يجب ملاحظة أن المُضاعفات لا تشمل الريبوسومات أو الأحماض النووية الأخرى التي تحتوي على جزيئات لها وظيفة إنزيمية بشكل أساسي ولكنها لا تُستخدم كقالب لتكرارها.. علاقة عمودية أو الوراثة الرأسية للنسخ المتماثل تشير إلى أن هذا المكرر الجيني يحافظ على نفسه ضمن سلالة فاصلة للمركبات الخلوية. إمكانية الحركة الأفقية يشير إلى أن المكرر قادر على إدخال نفسه في سلالة مركبة خلوية حيث كان المكرر غائبًا في السابق. يُشار إلى أي ميزة يتم ترميزها أو إحداثها بواسطة مُنسخ متماثل على أنها a النمط الظاهري. يربط الشكل 1 هذه المصطلحات بنظيراتها البيولوجية.


الملحق د

نحسب تيص، زمن الثبات المتوقع للبلازميد في مجموعة سكانية ذات عمليات مسح انتقائية. نقوم بذلك عن طريق حساب عناصر المعادلة 11 في النص ، والتي تحدد بدورها تيص. معظم الجهد (حتى المعادلة D13) قيد الحساب صص ثم نعطي تعبيرات عن تيأ و تيF.

أولا ، نحسب صص، احتمالية أن يتم إنقاذ البلازميد من خلال عملية مسح انتقائي قبل أن ينقرض بعد ظهور متغير صبغوي. في البداية ، دعونا نفترض أن متغير الكروموسومات ينشأ في الوقت المناسب ر = 0.

ثم لاحظ ذلك صص تعطى بواسطة P R = ∫ 0 ∞ P M (t) P X (t) d t ، (D1) حيث صم(ر) هو احتمال ظهور المتحور الأول خلال الفترة [ر ، ر + د) بعد ظهور الكروموسومات ، و صX(ر) هو احتمال نقل البلازميد إلى سلالة متحولة أثناء المسح الانتقائي ، بالنظر إلى أن عملية المسح بدأت في الفترة [ر ، ر + د).

نظرًا لعدم وجود سبب وجيه لعمل افتراض أكثر تعقيدًا ، نفترض أن الطفرات الجديدة تصل إلى السكان كعملية بواسون بمعدل ثابت σ. ثم P M (t) = σ e - σ t. (د 2)

لكي يحسب صX(ر) نستخدم النموذج التالي. ضع في اعتبارك مجموعة سكانية متكيفة محليًا ذات كثافة ثابتة ن في المجلد الخامس، بحيث يكون هناك NV البكتيريا موجودة. يتكون السكان في البداية من البكتيريا التي تحمل الجين البؤري على البلازميد ، والتي لها كثافة ص(ر) في الوقت ر، والبكتيريا التي تحمل الجين البؤري على كروموسومها ، والتي لها كثافة ج(ر). نفترض أن جميع تأثيرات اللياقة هي مضاعفة ، وأن ميزة اللياقة للجين البؤري هي β ، وأن تكلفة اللياقة للبلازميد هي α. ثم يكون للمجموعات الحاملة للكروموسومات والبلازميد معدلات نمو ψ (1 + β) و ψ (1 + β) (1 - α) ، على التوالي. بعد ظهور متحولة ، نتتبع كثافة المسوخ في السكان مثل م(ر) ، ونفترض أن الطفرة التي تحملها تحمل ميزة اللياقة ب، مما يعطيها معدل نمو قدره ψ (1 + ب) ، لأنه لا يحمل الجين البؤري ولا البلازميد. من أجل البساطة الرياضية ، نهمل الفصل الذي لا يغير النتائج النوعية. قيم هذه المعلمات مقيدة بالافتراضات التالية:

فائدة اللياقة للجين البؤري أكبر من تكلفة اللياقة للبلازميد: β & gt α / (1 - α).

فائدة اللياقة للطفرة الجديدة أكبر من فائدة الجين البؤري (بحيث يذهب الجين البؤري إلى التثبيت): ب & GT β.

نتيجة معيار ستيوارت وليفين: لا يمكن للبلازميد أن يستمر في المنافسة مع النسخة الكروموسومية من خلال تعويض عبء اللياقة عن طريق النقل: γن & lt ψα (1 + β).

لنمذجة التغييرات في الكثافات (التي يتم تتبعها بالأحرف الكبيرة) لحوامل البلازميد والكروموسومات والطفرات (تجاهل المتحولين في الوقت الحالي) ، وفرض قيود على حجم السكان الثابت ، لدينا d P (t) dt = [Ψ (1) - α) (1 + β) - Ψ ¯] P + PC (D3) د C (t) dt = [Ψ (1 + β) - Ψ ¯] C - PC (D4) د M (t) dt = [Ψ (1 + b) - Ψ ¯] M، (D5) حيث Ψ ¯ (t) = Ψ [(1 - α) (1 + β) P (t) + (1 + β) C (t) + (1 + ب) M (t)] ∕ N هو متوسط ​​معدل النمو المرجح للسكان في وقت ر ويتم طرحها من معدلات النمو الفردية للحفاظ على حجم السكان الثابت.

نحن نفترض أن الكروموسومات تظهر عند ر = 0 في بكتيريا واحدة وهذا يتوافق مع كثافة أولية ج(0) = 1/الخامس. بعد ظهور الكروموسومات ، ولكن قبل دخول متحولة إلى السكان ، فإننا نأخذ في الاعتبار فقط ترددات الأنواع الحاملة للكروموسومات والبلازميد. خلال هذه الفترة ، نتتبع تواتر النوع الحامل للبلازميد ، ص = ص/(ص + ج) ، والتي يمكن حسابها من (D3) و (D4) كـ d p (t) d t = [γ N - Ψ α (1 + β)] p (1 - p). (د 6)

هذا له الحل p (t) = (N V - 1) e [γ N - Ψ α (1 + β)] t 1 + (N V - 1) e [γ N - Ψ α (1 + β)] t. (د 7)

افترض ظهور المتحولة في وقت معين ر = ر*. في وقت ظهور المتحولة ، تُعطى كثافة حاملي البلازميد والكروموسومات والطفرات ، على التوالي ، في السكان بواسطة P (t ∗) = (N - 1 ∕ V) p (t ∗) (D8 ) C (t ∗) = (N - 1 ∕ V) (1 - p (t ∗)) (D9) M (t ∗) = 1 ∕ V، (D10) حيث ص(ر*) بواسطة (D7). بعد ظهور المتحولة ، يتم إعطاء ديناميكيات هذه المجموعات الثلاثة بواسطة المعادلات D3 و D4 و D5 ، تتكون هذه الديناميكيات من زيادة في عدد المسوخ (الاجتياح الانتقائي) بينما ينخفض ​​عدد حاملي البلازميد والكروموسومات.

نريد أن نحسب صX، احتمالية نقل البلازميد مرة واحدة على الأقل إلى المجموعة المتحولة ، مما يؤدي إلى تكوين متحولة ، قبل انقراض حاملي البلازميد. نحن نستخدم العدد المتوقع من المحولات التي تم إنشاؤها أثناء عملية المسح لحساب احتمال إنتاج محول واحد على الأقل أثناء عملية المسح. المعدل اللحظي لظهور المتحولين أثناء هذا المسح هو γص(ر)م(ر)، وبالتالي X(ر*) ، العدد المتوقع من المتحولين في عملية مسح انتقائية تبدأ في الوقت المناسب ر = ر* ، تُعطى بواسطة X (t ∗) = γ ∫ t ∗ ∞ P (s) M (s) d s ، (D11) حيث ص(س) و م(س) من خلال دمج المعادلات D3 و D4 و D5 بدءًا من ر* ، مع توفر الشروط الأولية بواسطة المعادلات D8 و D9 و D10. احتمال صX(ر*) أنه سيظهر محول اقتران واحد على الأقل ، بعد ذلك ، في عملية مسح انتقائية تبدأ في الوقت المناسب ر* تُعطى بواسطة P X (t ∗) = 1 - e - X (t ∗). (D12)

بالتعويض من (D2) و (D12) إلى (D1) ، لدينا PR = ∫ 0 ∞ σ e - t [1 - e - X (t)] dt = ∫ 0 ∞ σ e - t [1 - e - γ ∫ t ∞ P (s) M (s) ds] dt. (D13)

أخيرا ، لحساب تيص من المعادلة 11 ، نحتاج إلى تعبيرات عن تيأ و تيF. بافتراض أنه في مجموعة سكانية ثابتة للنسخة المحمولة بالبلازميد من الجين ، تظهر الكروموسومات كعملية بواسون بمعدل χ ، تيأ = 1 /. تيF يمكن تقريبه من خلال افتراض أن الكروموسوم يصلح لأنه لا يحدث مسح انتقائي في هذه الحالة ، تيF هو ببساطة الوقت اللازم لانتقال عدد الكروموسومات من 1 إلى GT ن - 1 ، أو ما يعادله ، لتكرار حوامل البلازميد للانتقال من 1 - 1 /ن إلى & lt1 /ن. يمكن حساب ذلك من (D7) عن طريق الضبط ص(تيF) = 1/ن في (D7) وحل ل تيF. ينتج عن هذا T f = 2 ln (N V - 1) Ψ α (1 + β) - γ N. (D14)

ملاحظة حول الحساب: (D3، D4، D5) لا يمكن حلها تحليليًا (H ofbauer and S igmund 1988). ومع ذلك ، فمن السهل حلها عن طريق التكامل العددي. دائمًا ما ينخفض ​​تواتر الخلايا الحاملة للبلازميد على الأقل بالسرعة نفسها في (D7) ، نظرًا لأن الطفرات ، إذا ظهرت ، ستسرع فقط من تدهور البلازميد (تجاهل المتحوِّلات).

لذلك ، من المعقول إنهاء التكامل عند تيF، الوقت الذي يكون فيه عدد الخلايا الحاملة للبلازميد هو & lt1. وبالتالي ، لأغراض حسابية ، تيF يمكن استخدامها بأمان كحد أعلى لكلا التكاملات (استبدال ∞) في (D13).


شاهد الفيديو: Restriction mapping of circular DNA (أغسطس 2022).