进化究竟是可预测的，还是随机的？长期以来，人们普遍相信进化是不可预测的。但在一项新发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，一组研究人员得出了一个挑战原有观点的答案：他们认为进化并不像人们曾经认为的那样不可预测，并且基因组的进化轨迹并非由众多因素和历史事件决定，而是可能受其进化史的影响。
在遗传学中，泛基因组指的是能代表一个物种的遗传多样性的全基因组序列。
在许多原核生物物种中，泛基因组都表现出明显的变异性，其中大部分都是通过水平基因转移和基因缺失过程导致的。在新研究中，研究人员利用了一种被称为“随机森林”的机器学习方法，对大肠杆菌（Escherichia coli）的泛基因组进行了分析。通过这种方法，研究人员可以基于基因组中其他基因的存在或缺失的复杂模式，来预测大肠杆菌的泛基因组中的基因存在或缺失。
在将数据输入计算机后，研究团队对来自大肠杆菌的2500个完整基因组的数据集进行了分析。他们首先根据每个基因组的每个基因，制作出了“基因家族”。通过这种方式，研究人员就可以对基因组中的这些“同类”进行比较，从而可以分析这些基因家族在一些基因组中存在而在另一些基因组中缺失的模式。
研究人员发现，当一个特定的基因家族已经存在时，一些基因家族就不会出现在基因组中；在其他情况下，一些基因非常依赖于另一个基因家族的存在。这样的发现意味着，单从其他基因来看，大量基因的存在或缺失是高度可预测的。在新的论文中，研究人员总结道，至少泛基因组的一部分可以被理解为是一组具有相互关系的基因。在长期的进化中，自然选择可以增强并维持这种基因的相互关系。
这些关系控制着它们可能的共生体，类似于生态系统中的一组相互作用的生物体。在这个隐形的生态系统中，基因既可以相互合作，也可以相互冲突。
这项研究通过证明进化并不像曾经认为的那样随机，为合成生物学、医学和环境科学的一系列可能性打开了大门。研究人员认为，这一发现或将具有深远的影响。比如，利用这项工作中，科学家可以开始探索哪些基因能“支持”抗生素耐药性基因，为靶向治疗铺平道路。此外，这种方法还有利于新颖的基因组设计，使科学家可以设计合成基因组，并为遗传物质的可预测操作提供路线图。