Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54695 Моделирование в биофизике Modelling in biophycis Моделирование в биофизике Mathematical modelling of transgenic bacteria experimental evolution (GMO) in model and natural ecosystems Математическое моделирование экспериментальной эволюции трансгенных бактерий (ГМО) в модельных и природных экосистемах Брильков А. В. Brilkov A. V. abrilkov@sfu-kras.ru Логинов Ю Ю Loginov Yu Yu loginov@sibsau.ru Брилькова Е. В. Brilkova E. V. evmorbril@mail.ru Ганусов В. В. Ganusov V. V. vitaly.ganusov@gmail.com Жабрун И. В. Jabrun I. V. ijabrun@sfu-kras.ru Шуваев А. Н. Shuvaev A. N. ashuvaev@sfu-kras.ru Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation Сибирский федеральный университет; Сибирский государственный университет науки и технологий им. ак. М.Ф. Решетнева ru Siberian Federal University; Reshetnev Siberian State University of Science and Technology ru Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation Институт биофизики ФИЦ СО РАН Красноярск Россия Institute of biophysics FRC SB RAS Krasnoyarsk Russian Federation Университет Теннесси Ноксвилл Россия University of Tennessee Knoxville Russian Federation Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation 25 12 2021 25 12 2021 6 4 580 585 20 12 2021 20 12 2021 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54695/view

В работе проанализирована экспериментальная эволюция трансгенных микроорганизмов (ГМО) в условиях ограничения их роста по энергетическим субстратам. Эти условия характерны для развития ГМО в природе. Наиболее адекватной экологической моделью природных условий является непрерывное культивирование в хемостате. Показано, что стоимость поддержания ГМО резко возрастает при низких скоростях размножения трансгенных бактерий. Это связано с повышением эффективности экспрессии клонированных генов при ограничении роста ГМО. В экспериментах обнаружено возрастание эффективности экспрессии генов биолюминесценции морских светящихся бактерий Photobacterium leiognathi , клонированных в Escherichia coli Z905, при низких скоростях размножения при непрерывном культивировании.

The paper analyzes the experimental evolution of transgenic microorganisms (GMOs) under conditions of limiting their growth by energy substrates. These conditions are typical for the development of GMOs in nature. The most adequate ecological model of natural conditions is a continuous cultivation in the chemostat. It has been shown that the cost of maintaining GMOs sharply increases at low rates of reproduction of transgenic bacteria. This is due to an increase in the efficiency of expression of cloned genes while limiting the growth of GMOs. Experiments revealed an increase in the efficiency of expression of bioluminescence genes of marine luminescent bacteria Photobacterium leiognathi , cloned in Escherichia coli Z905 , at low growth rates during continuous cultivation.

 трансгенные микроорганизмы экспериментальная эволюция стоимость приспособленности математическое моделирование непрерывное культивирование transgenic microorganisms experimental evolution fitness cost mathematical modeling continuous culture

MacLean R.C., Millan A.S. Microbial Evolution: Towards Resolving the Plasmid Paradox. Current biology, 2015, vol. 25, no. 17, pp. R764-R767. MacLean R.C., Millan A.S. Microbial Evolution: Towards Resolving the Plasmid Paradox. Current biology, 2015, vol. 25, no. 17, pp. R764-R767. Wein T., Hulter N.F., Mizrahi I., Dagan T. Emergence of plasmid stability under non-selective conditions maintains antibiotic resistance. Nature com, 2019, vol. 10, p. 2595. Wein T., Hulter N.F., Mizrahi I., Dagan T. Emergence of plasmid stability under non-selective conditions maintains antibiotic resistance. Nature com, 2019, vol. 10, p. 2595. Брильков А.В., Логинов Ю.Ю., Брилькова Е.В., Ганусов В.В., Шуваев А.Н. ГМО: Экспериментальная эволюция и проблемы безопасности. Красноярск: Изд-во Сибирского федерального университета, 2021, 224 c. @@Brilkov A.V., Loginov Yu.Yu., Brilkova E.V., Ganusov V.V., Shuvaev A.N. GMOs: Experimental Evolution and Safety Issues. Krasnoyarsk: Publishing house of the Siberian Federal University, 2021, 224 p. (In Russ.) Bril'kov A.V., Loginov Yu.Yu., Bril'kova E.V., Ganusov V.V., Shuvaev A.N. GMO: Eksperimental'naya evolyuciya i problemy bezopasnosti. Krasnoyarsk: Izd-vo Sibirskogo federal'nogo universiteta, 2021, 224 c. @@Brilkov A.V., Loginov Yu.Yu., Brilkova E.V., Ganusov V.V., Shuvaev A.N. GMOs: Experimental Evolution and Safety Issues. Krasnoyarsk: Publishing house of the Siberian Federal University, 2021, 224 p. (In Russ.) Carroll A.C., Wong A. Plasmid persistence: costs, benefits, and the plasmid paradox. Can. J. Microbiol., 2018, vol. 64, pp. 293-304. Carroll A.C., Wong A. Plasmid persistence: costs, benefits, and the plasmid paradox. Can. J. Microbiol., 2018, vol. 64, pp. 293-304. Monod J. The growth of bacterial cultures. Annual Review of Microbiology, 1949, vol. 3, pp. 371-394. Monod J. The growth of bacterial cultures. Annual Review of Microbiology, 1949, vol. 3, pp. 371-394. Pirt S.J. Principles of Microbe and Cell Cultivation. Oxford: Blackwell Sci. publ., 1975, 274 p. Pirt S.J. Principles of Microbe and Cell Cultivation. Oxford: Blackwell Sci. publ., 1975, 274 p. Novick A., Szilard L. Description of the chemostat. Science, 1950, vol. 112, pp. 715-718. Novick A., Szilard L. Description of the chemostat. Science, 1950, vol. 112, pp. 715-718. Moser H. The dynamics of bacterial populations maintained in the chemostat. Carnegie institution of Washington, 1958, 136 p. Moser H. The dynamics of bacterial populations maintained in the chemostat. Carnegie institution of Washington, 1958, 136 p. Gitelzon I.I., Pechurkin N.S., Brilkov A.V. Population Problems in the Biology of Unicellular Organisms. London: Harwood Academic Publ. GmbH (United Kingdom), 1989, 77 p. Gitelzon I.I., Pechurkin N.S., Brilkov A.V. Population Problems in the Biology of Unicellular Organisms. London: Harwood Academic Publ. GmbH (United Kingdom), 1989, 77 p. Illarionov B.A., Blinov V.M., Donchenko A.P. e. al. Isolation of Bioluminescent Functions From Photobacterium leiognathi: Analysis of luxA, luxB, luxG and Neighboring Genes. Gene, 1990, vol. 86, pp. 89-94. Illarionov B.A., Blinov V.M., Donchenko A.P. e. al. Isolation of Bioluminescent Functions From Photobacterium leiognathi: Analysis of luxA, luxB, luxG and Neighboring Genes. Gene, 1990, vol. 86, pp. 89-94. Zavilgelsky G.B., Shakulov R.S. Mechanisms and Origin of Bacterial Bioluminescence. Mol. biol., 2018, vol. 52., no. 6, pp. 935-947. Zavilgelsky G.B., Shakulov R.S. Mechanisms and Origin of Bacterial Bioluminescence. Mol. biol., 2018, vol. 52., no. 6, pp. 935-947. Тюлькова Н.А., Сандалова Т.П. Сравнительное исследование влияния температуры на бактериальные люциферазы. Биохимия, 1996, т. 61, вып. 2, c. 275-287. @@Tyulkova N.A., Sandalova T.P.Comparative study of the effect of temperature on bacterial luciferases. Biochemistry, 1996, vol. 61, no. 2, pp. 275-287. (In Russ.) Tyul'kova N.A., Sandalova T.P. Sravnitel'noe issledovanie vliyaniya temperatury na bakterial'nye lyuciferazy. Biohimiya, 1996, t. 61, vyp. 2, c. 275-287. @@Tyulkova N.A., Sandalova T.P.Comparative study of the effect of temperature on bacterial luciferases. Biochemistry, 1996, vol. 61, no. 2, pp. 275-287. (In Russ.) Levin B.R., Stewart F.M. The population biology of bacterial plasmids: A priori conditions for the existence of conjugationally transmitted factors. Genetics, 1977, vol. 87, no. 10, pp. 209-228. Levin B.R., Stewart F.M. The population biology of bacterial plasmids: A priori conditions for the existence of conjugationally transmitted factors. Genetics, 1977, vol. 87, no. 10, pp. 209-228. Jones I.M., Primrose S.B., Robinson A., Ellwood D.C. Maintenance of some ColE1-type plasmids in chemostat culture. Mol. Gen. Genet., 1980, vol. 180, pp. 579-584. Jones I.M., Primrose S.B., Robinson A., Ellwood D.C. Maintenance of some ColE1-type plasmids in chemostat culture. Mol. Gen. Genet., 1980, vol. 180, pp. 579-584. Lenski R.E. Evaluating the fate of genetically modified microorganisms in the environment: are they inherently less fit? Experientia, 1993, vol. 49, pp. 201-209. Lenski R.E. Evaluating the fate of genetically modified microorganisms in the environment: are they inherently less fit? Experientia, 1993, vol. 49, pp. 201-209. Cooper T.F., Rozen D.E., Lenski R.E. Parallel changes in gene expression after 20,000 generations of evolution in Echerichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, vol. 100, no. 3, pp. 1072-1077. Cooper T.F., Rozen D.E., Lenski R.E. Parallel changes in gene expression after 20,000 generations of evolution in Echerichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2003, vol. 100, no. 3, pp. 1072-1077.