Експериментът Лурия–Делбрюк (1943): Тест за флуктуации и случайни мутации

Експериментът Лурия–Делбрюк (1943): тест за флуктуации, доказал случайните мутации в бактерии — ключово откритие за еволюцията и Нобелова награда.

Експериментът на Лурия-Делбрюк от 1943 г., наричан още "тест за флуктуации", поставя основния въпрос: независими ли са мутациите от естествения подбор, или те се направляват и индуцират от селекцията (т.е. от външен стимул)?

Контекст и идея

Макс Делбрюк и Салвадор Лурия използват прости микроорганизми като модел за проверка дали мутациите на ДНК възникват по случаен принцип или се появяват като отговор на селективен натиск. Ако мутациите са индуцирани от селекцията (набор от условия), тогава всички независими култури, изложени на същия селективен агент, ще покажат сходно число адаптирани мутации. Ако са спонтанни и възникват по време на растежа, броят на адаптираните клетки в различните култури ще варира силно — защото ранна поява на мутация дава голямо потомство (т.нар. "джакпот" ефект).

Метод (общо описание)

• Няколко независими малки култури от бактерии (обикновено Escherichia coli) се инокулират и оставят да нараснат за няколко поколения.
• След растежа всяка култура се излага на убиващ бактериофаг (или друг селективен агент), така че само резистентните клетки да преживеят.
• Броят на оцелелите резистентни колонии се определя за всяка отделна култура.
• Анализират се средната стойност и вариацията (дисперсията) между културите.

Прогнози и експериментални резултати

Двете алтернативни хипотези дават ясно различни предсказания:

• Ако резистентността е индуцирана от експозицията (селекцията), разпределението на броя оцелели в отделните култури трябва да е близко до по-проста случайна (напр. Пуасонова) с относително малка дисперсия.
• Ако мутациите са спонтанни и възникват по време на растежа, някои култури ще имат нула или много малко резистентни клетки, а други — много (защото една ранна мутация дава голямо потомство). Това води до голяма дисперсия и асиметрично разпределение с редки "джакпот" култури.

Лурия и Делбрък наблюдават именно втория тип поведение — силно вариране между културите и редки култури с голям брой резистентни колонии. Това подкрепя идеята, че мутациите са спонтанни и възникват независимо от селективния агент.

Анализ и последици

За да количествено опишат наблюденията, Лурия и Делбрък разработват и математически подход към разпределението на мутациите (по-късно доразвито от Lea и Coulson и известно като разпределение на Лурия–Делбрък). От данните може да се изчисли и скоростта на мутациите (mutation rate) при дадените условия.

Ключов извод: мутациите в бактериите възникват независимо от селекцията — те са случайни по време и по място; естественият подбор просто избира (филтрира) тези варианти, които дават предимство при дадени условия.

Значение

Резултатите на Лурия и Делбрък дават силна експериментална подкрепа за дарвиновия модел, според който селекцията действа върху предварително съществуваща генетична вариабилност, а не предизвиква целенасочени адаптивни промени. Техният тест има и практически последствия: принципът важи за еволюцията на резистентност — например при антибиотиците или при устойчивост срещу вируси — и показва, защо контролът и превенцията са критични, преди да се разрасне и разпространи резистентно популационно огнище.

Макс Делбрюк и Салвадор Лурия впоследствие са признати за важността на техните приноси — Делбрък и Лурия споделят високото научно признание в тази област, а работата им е част от основанията, поради които получават Нобелова награда за физиология или медицина (1969 г.), заедно с други признания за изследвания върху вирусите и генетичната им структура.

Експериментът на Лурия–Делбрък остава класически пример в молекулярната биология и еволюционната генетика — методологически прост, но концептуално мощен тест, който показва как статистическия подход може да отличи различни биологични хипотези.

Търсене по буква