Machine learning enables prediction of metabolic system evolution in bacteria

系统发育树 生物 现存分类群 可预测性 基因组 基因组 进化生物学 系统发育比较方法 适应(眼睛) 细菌基因组大小 适应性进化 系统发育学 系统生物学 基因 基因组进化 分子进化 计算生物学 遗传学 物理 神经科学 量子力学
作者
Naoki Konno,Wataru Iwasaki
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:9 (2): eadc9130-eadc9130 被引量:29
标识
DOI:10.1126/sciadv.adc9130
摘要

Evolution prediction is a long-standing goal in evolutionary biology, with potential impacts on strategic pathogen control, genome engineering, and synthetic biology. While laboratory evolution studies have shown the predictability of short-term and sequence-level evolution, that of long-term and system-level evolution has not been systematically examined. Here, we show that the gene content evolution of metabolic systems is generally predictable by applying ancestral gene content reconstruction and machine learning techniques to ~3000 bacterial genomes. Our framework, Evodictor, successfully predicted gene gain and loss evolution at the branches of the reference phylogenetic tree, suggesting that evolutionary pressures and constraints on metabolic systems are universally shared. Investigation of pathway architectures and meta-analysis of metagenomic datasets confirmed that these evolutionary patterns have physiological and ecological bases as functional dependencies among metabolic reactions and bacterial habitat changes. Last, pan-genomic analysis of intraspecies gene content variations proved that even “ongoing” evolution in extant bacterial species is predictable in our framework.
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