Sergei Maslov, en professor i bioteknik och fysik vid University of Illinois, ser ett "universum i ett sandkorn". Hans forskning försöker utforska det universum genom att fokusera på den genomiska mångfalden av dess beståndsdelar:de miljontals mikrober som frodas och reproducerar sig inom det.

Maslovs senaste studie, publiceras i Genetik , undersökte dynamiken som styr denna mångfald genom att modellera effekterna av flera olika faktorer på utvecklingen av genomsekvensen. Medförfattare till studien var tidigare medlemmar av Maslovs labb, Purushottam Dixit, nu postdoktor vid Columbia University, och Tin Yau Pang, nu postdoktor vid universitetet i Düsseldorf. Tillsammans, Dixit, Pang och Maslov, som också är Bliss Faculty Scholar och medlem av Carl R. Woese Institute for Genomic Biology och National Center for Supercomputing Applications, klargjorde de förhållanden som antingen håller en bakterieart sammanhållen eller driver den mot mångfald.

Upprinnelsen till detta verk var en tillfällig interaktion mellan Maslov och hans kollega F. William Studier, en känd biolog vid Brookhaven National Laboratory. Studier och andra undersökte genomsekvensen för olika stammar av Escherichia coli och blev fascinerade av en observation att vissa områden av genomet varierade dramatiskt - mer än förväntat av en slump - i antalet sekvensskillnader mellan de två stammarna.

Maslov drogs in i pusslet som presenterades av detta fynd, och så småningom hjälpte gruppen dra slutsatsen att regioner med mycket olika sekvenser kunde förklaras med rekombination, en mekanism som gör att bakterieceller kan erhålla fragment av DNA från sina grannar och införliva dem i sina egna genom.

"Jag är en beräkningsperson, så jag motiveras verkligen inte av ett område som nödvändigtvis är av intresse för problem. Så om det är ett pussel, Jag gillar att knäcka det om möjligt, ", sa Maslov. Även efter att arbetet med Studier publicerades, Maslov fortsatte att känna sig dragen av frågor som ställdes av fyndet. "Vi ville förstå hur bakteriearter bildas och vilka är krafterna som håller dem sammanhängande."

En fysiker av utbildning, Maslov ställer denna fråga i termer av kosmologi:i mikrobernas universum, hur fungerar mutation, slumpmässiga fel i genomsekvensen som utökar variationen som finns inom en stam, jämföra med den bindande "gravitationskraften" av rekombination? Han och hans medförfattare bestämde sig för att svara på denna fråga med hjälp av den ständigt växande offentliga databasen med bakteriegenomisk data.

"Omedelbart efter en rekombinationshändelse, två bakteriegenom blir identiska för en del av deras genomsekvens, vilket betyder att de i någon mening är närmare varandra. . . [men] om du har två bakteriesekvenser som divergerade för långt från varandra, de tappar bara förmågan att kombinera med varandra, ", sa Maslov. "Vårt mål var att försöka förstå mer allmänt problemet med underhåll av bakteriearter."

Maslov och hans medförfattare utvecklade en beräkningsmodell som fångade de grundläggande delarna av bakteriell evolution:den befintliga nivån av genomisk mångfald mellan par av individer inom en population, frekvensen av slumpmässiga mutationer, och förmågan till rekombination. Modellen kvantifierade sambanden mellan alla dessa faktorer eftersom de påverkar genomsekvensen inom en population av bakterier. Forskarna fann att balansen mellan dessa faktorer skapar en ganska skarp uppdelning mellan två distinkta tillstånd - metastabilitet och divergens.

"De huvudsakliga parametrarna som visar sig vara relevanta ... är den frekvens med vilken den speciella genomiska organismen rekombinerar med medlemmar av sin egen art, och den totala befolkningens storlek, så beroende på dessa två variabler kan du ha två regimer, antingen en regim där rekombination sker tillräckligt ofta för att du har en sammanhängande art som håller ihop under lång tid, eller så har du den här regimen där den bryter in i underarter, sa Maslov.

Med andra ord, frekventa rekombinationshändelser kan hålla en population av bakterier i ett metastabilt tillstånd, en där artbildning sannolikt inte kommer att förekomma ens under loppet av många generationer. En större population där mutationshastigheten kan uppväga homogeniserande effekter av rekombination kommer att avvika snabbt. Men Maslov betonade att över en tillräckligt lång tidsskala, artbildning är lika oundviklig som universums expansion.

"Förr eller senare kommer det att ske en galen olycka, eftersom det ögonblick det genetiska avståndet mellan två arter överstiger en viss tröskel, de förlorar effektivt förmågan att rekombinera, " sa han. "Den nya arten kommer att bildas - så det är mer en fråga om hur länge en given enhet, som vi för närvarande kallar en bakterieart, kommer att leva för."

Genom att belysa grundläggande egenskaper hos bakteriell artbildning, detta arbete tar upp grundläggande frågor om evolution och kan så småningom bidra till ansträngningar för att spåra och förhindra utvecklingen av läkemedelsresistens eller virulens hos sjukdomsframkallande patogener.