Протеин инженериясы: бағытталған эволюция әдісімен протеин мен нуклеин қышқылын қажетті функцияға жеткізу, мутация, таңдау және күшейту арқылы жасалады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Белок инженериясы әдісі
Protein engineering method
Бағытталған эволюция (БЭ) – белок инженериясында қолданылатын, табиғи іріктеу процесін имитациялап, белоктарды немесе нуклеин қышқылдарын пайдаланушы белгілеген мақсатқа жетелеуге арналған әдіс. Ол генді мутагенездің қайталама раундтарына (варианттардың қорын құру), іріктеуге (осы варианттарды экспрессиялау және қажетті функцияға ие мүшелерді бөліп алу) және күшейтуге (келесі раунд үшін матрица жасау) ұшыратудан тұрады. Оны тірі организмдерде (in vivo) немесе жасушаларда немесе ерітіндіде (in vitro) жүргізуге болады. Бағытталған эволюция белок инженериясында өзгертілген белоктарды рационалды жобалаудың баламасы ретінде, сондай-ақ бақыланатын зертхана жағдайында эволюцияның негізгі принциптерін зерттеу үшін қолданылады.
Directed evolution (DE) is a method used in protein engineering that mimics the process of natural selection to steer proteins or nucleic acids toward a user defined goal. It consists of subjecting a gene to iterative rounds of mutagenesis (creating a library of variants), selection (expressing those variants and isolating members with the desired function) and amplification (generating a template for the next round). It can be performed in vivo (in living organisms), or in vitro (in cells or free in solution). Directed evolution is used both for protein engineering as an alternative to rationally designing modified proteins, as well as for experimental evolution studies of fundamental evolutionary principles in a controlled, laboratory environment.
Тарих
Бағытталған эволюцияның бастауы 1960 жылдары "Шпигельманның монстры" экспериментінде РНК молекулаларының эволюциясымен байланысты. Бұл концепция бактерияларды таңдау қысымымен эволюцияландыру арқылы ақуыз эволюциясына дейін кеңейтілді, бұл олардың геномдағы жалғыз геннің эволюциясына жағдай жасады. 1980 жылдардағы фагты көрсетудің алғашқы техникалары мутацияларды және бір ақуызды таңдауға мүмкіндік берді. Бұл жақсартылған байланысқан ақуыздарды іріктеуге мүмкіндік берді, бірақ ферменттердің катализдік активтілігін іріктеумен толық үйлесімді емес еді. Ферменттерді эволюцияландыру әдістері 1990 жылдары жасалды және бұл техниканы кең ғылыми қауымдастыққа жеткізді. Бұл сала гендік варианттардың кітапханаларын жасау және олардың активтілігін тексеру үшін жаңа әдістермен жылдам кеңейді. Бағытталған эволюция әдістерін дамыту 2018 жылы Фрэнсис Арнольдқа ферменттердің эволюциясы үшін, ал Джордж Смит пен Грегори Винтерге фагты көрсету үшін Химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды.
Directed evolution has its origins in the 1960s with the evolution of RNA molecules in the "Spiegelman's Monster" experiment. The concept was extended to protein evolution via evolution of bacteria under selection pressures that favoured the evolution of a single gene in its genome. Early phage display techniques in the 1980s allowed targeting of mutations and selection to a single protein. This enabled selection of enhanced binding proteins, but was not yet compatible with selection for catalytic activity of enzymes. Methods to evolve enzymes were developed in the 1990s and brought the technique to a wider scientific audience. The field rapidly expanded with new methods for making libraries of gene variants and for screening their activity. The development of directed evolution methods was honored in 2018 with the awarding of the Nobel Prize in Chemistry to Frances Arnold for evolution of enzymes, and George Smith and Gregory Winter for phage display.
Негізгі қағидалар
Бағытталған эволюция – зертхана жағдайында табиғи эволюция циклын имитациялау. Эволюция үшін үш нәрсе қажет: көбейгіштер арасындағы айырмашылық, бұл айырмашылыққа таңдау әрекет ететін жарамдылықтың өзгешеліктерін тудыру және осы айырмашылықтың мұрагерлікке ие болуы. Бағытталған эволюцияда (БЭ) бір ген мутагенездің, іріктеудің немесе скринингтің және амплификацияның қайталама раундтары арқылы дамиды. Осы қадамдардың раундтары әдетте қайталанады, келесі раунд үшін ең жақсы вариантты шаблон ретінде пайдаланып, кезеңдік жақсартуларға қол жеткізіледі. Бағытталған эволюциялық экспериментте сәттілік мүмкіндігі кітапхананың жалпы мөлшерімен тікелей байланысты, себебі көбірек мутанттарды бағалау қажетті қасиеттері бар нұсқаны табу ықтималдығын арттырады.
Directed evolution is a mimic of the natural evolution cycle in a laboratory setting. Evolution requires three things to happen: variation between replicators, that the variation causes fitness differences upon which selection acts, and that this variation is heritable. In DE, a single gene is evolved by iterative rounds of mutagenesis, selection or screening, and amplification. Rounds of these steps are typically repeated, using the best variant from one round as the template for the next to achieve stepwise improvements. The likelihood of success in a directed evolution experiment is directly related to the total library size, as evaluating more mutants increases the chances of finding one with the desired properties.
Түрліліктерді тудыру
Бағытталған эволюция циклын жүзеге асырудың алғашқы қадамы – вариантты гендер кітапханасын жасау. Кездейсоқ тізбек үшін реттілік кеңістік өте зор (100 аминқышқылды ақуыз үшін 10¹³⁰ мүмкін тізбек) және функционалды ақуыздармен тым сирек толтырылған. Ешбір тәжірибелік, ешбір табиғи эволюция да осыншама көп тізбектерді үлгілеуге жақындамайды. Әрине, табиғи эволюция функционалды ақуыз тізбектеріне жақын варианттарды үлгілейді, ал бұл ДЕ-де (бағытталған эволюция) функционалды генді мутагендеу арқылы имитацияланады. Кейбір есептеулер Жердегі тіршіліктің эволюциясы барысында ақуыз тізбектерінің кеңістігі барлық практикалық (яғни функционалдық және құрылымдық) мақсаттар үшін толық зерттелген болуы мүмкін екенін көрсетеді. Сондай-ақ, енгізулер мен жоюлар (транспозон арқылы) да осыған қатысты. Гендік рекомбинацияны бірнеше тізбекті (әдетте 70% -дан жоғары тізбек сәйкестігі бар) ДНК шайқау арқылы, шайқалған ата-аналық гендер арасындағы тізбек кеңістігінің аймақтарына секіру арқылы имитациялауға болады. Соңында, геннің нақты аймақтарын құрылым және функция туралы білімге негізделген, бағытталған тәсіл үшін жүйелі түрде кездейсоқ етуге болады. Қолданылған әдіске байланысты, жасалған кітапханада функционалды варианттардың үлесі әртүрлі болады. Егер организм қызығушылық тудыратын генді экспрессиялау үшін қолданылса да, тек сол генді мутагендеу арқылы организмнің қалған геномы өзгермейді және эволюциялық эксперимент үшін (тұрақты генетикалық ортаны қамтамасыз ету шамасында) ескерілмейді.
The first step in performing a cycle of directed evolution is the generation of a library of variant genes. The sequence space for random sequence is vast (10130 possible sequences for a 100 amino acid protein) and extremely sparsely populated by functional proteins. Neither experimental, nor natural evolution can ever get close to sampling so many sequences. Of course, natural evolution samples variant sequences close to functional protein sequences and this is imitated in DE by mutagenising an already functional gene. Some calculations suggest it is entirely feasible that for all practical (i. e. functional and structural) purposes, protein sequence space has been fully explored during the course of evolution of life on Earth. and insertions and deletions (by transposons). Gene recombination can be mimicked by DNA shuffling of several sequences (usually of more than 70% sequence identity) to jump into regions of sequence space between the shuffled parent genes. Finally, specific regions of a gene can be systematically randomised for a more focused approach based on structure and function knowledge. Depending on the method, the library generated will vary in the proportion of functional variants it contains. Even if an organism is used to express the gene of interest, by mutagenising only that gene the rest of the organism's genome remains the same and can be ignored for the evolution experiment (to the extent of providing a constant genetic environment).
Дене шынықтыру қабілетінің айырмашылығын анықтау
Мутациялардың көпшілігі зиянды болып келеді, сондықтан мутанттардың кітапханаларында көбінесе төмен белсенділікке ие нұсқалар кездеседі. Сондықтан, жоғары өнімділіктегі талдау белсенділікті өлшеу және қажетті қасиеттерін жақсартатын пайдалы мутацияларға ие сирек нұсқаларды табу үшін өте маңызды. Функционалды варианттарды оқшаулау үшін екі негізгі әдіс бар. Таңдау жүйелері белок функциясын геннің тірі қалуымен тікелей байланыстырады, ал скрининг жүйелері әр вариантты жеке-жеке тексереді және қажетті белсенділікке ие вариантты немесе варианттар тобын сұрыптау үшін сандық шекті белгілеуге мүмкіндік береді. Таңдау және скринингті тірі жасушаларда (in vivo эволюция) немесе жасушасыз, тікелей белок немесе РНК-да жүргізуге болады (in vitro эволюция). In vivo эволюция кезінде әрбір жасуша (әдетте бактериялар немесе ашытқылар) кітапхананың әртүрлі мүшесін қамтитын плазмидпен трансформацияланады. Осылайша, жасушалар арасында тек қана қызығушылық тудыратын ген ғана өзгеше болады, ал қалған гендер өзгеріссіз сақталады. Жасушалар белокты цитоплазмасында немесе оның функциясын тексеруге болатын бетінде экспрессиялайды. Бұл форматтың жасушалық ортада қасиеттерді таңдаудың артықшылығы бар, бұл эволюцияланған белок немесе РНК тірі организмдерде қолданылатын кезде пайдалы. Жасушасыз орындалғанда, in vitro транскрипция-аударма қолданылып, ерітіндіде немесе жасанды микротамшыларда бос белоктар немесе РНК өндіріледі. Бұл әдістің артықшылығы – іріктеу шарттарында (мысалы, температура, еріткіш) әмбебаптығы және жасушаларға улы болатын белоктарды экспрессиялау мүмкіндігі. Сонымен қатар, in vitro эволюциялық эксперименттер әлдеқайда үлкен кітапханаларды (1015-ке дейін) құруға мүмкіндік береді, өйткені кітапханалық ДНК-ны жасушаларға енгізудің қажеті жоқ (бұл көбінесе шектеуші фактор болып табылады).
The majority of mutations are deleterious and so libraries of mutants tend to mostly have variants with reduced activity. Therefore, a high throughput assay is vital for measuring activity to find the rare variants with beneficial mutations that improve the desired properties. Two main categories of method exist for isolating functional variants. Selection systems directly couple protein function to survival of the gene, whereas screening systems individually assay each variant and allow a quantitative threshold to be set for sorting a variant or population of variants of a desired activity. Both selection and screening can be performed in living cells (in vivo evolution) or performed directly on the protein or RNA without any cells (in vitro evolution). During in vivo evolution, each cell (usually bacteria or yeast) is transformed with a plasmid containing a different member of the variant library. In this way, only the gene of interest differs between the cells, with all other genes being kept the same. The cells express the protein either in their cytoplasm or surface where its function can be tested. This format has the advantage of selecting for properties in a cellular environment, which is useful when the evolved protein or RNA is to be used in living organisms. When performed without cells, DE involves using in vitro transcription translation to produce proteins or RNA free in solution or compartmentalised in artificial microdroplets. This method has the benefits of being more versatile in the selection conditions (e. g. temperature, solvent), and can express proteins that would be toxic to cells. Furthermore, in vitro evolution experiments can generate far larger libraries (up to 1015) because the library DNA need not be inserted into cells (often a limiting step).
Таңдау
Байлау белсенділігі үшін таңдау тұжырымдамасы қарапайым. Нысаналы молекула қатты тірекке бекітіледі, оның үстінен әртүрлі протеиндер кітапханасы ағызылады, нашар байланысатындар жуылып кетеді, ал қалған байланысқан варианттар олардың гендерін бөліп алу үшін қалпына келтіріледі. Иммобилизацияланған ковалентті тежегішке ферменттің байланысуы белсенді катализаторларды бөліп алуға да қолданылған. Алайда, бұл тәсіл тек бір катализдік цикл үшін ғана таңдау жасайды және субстрат байланысының немесе субстраттың нақты реакциялық қабілеттілігінің жақсы моделі емес. Егер фермент белсенділігі жасушаның тірі қалуы үшін қажет болса, маңызды метаболит синтезі арқылы немесе уланды жою арқылы орындалады. Мұндай жүйелердің өнімділігі көбінесе жасушалардың трансформациялық тиімділігімен шектеледі. Олар сондай-ақ, скринингке қарағанда арзан және еңбек шығыны аз, бірақ оларды жасау қиын, артефакттарға бейім және кітапханадағы белсенділіктердің спектрі туралы ақпарат бермейді.
Selection for binding activity is conceptually simple. The target molecule is immobilised on a solid support, a library of variant proteins is flowed over it, poor binders are washed away, and the remaining bound variants recovered to isolate their genes. Binding of an enzyme to immobilised covalent inhibitor has been also used as an attempt to isolate active catalysts. This approach, however, only selects for single catalytic turnover and is not a good model of substrate binding or true substrate reactivity. If an enzyme activity can be made necessary for cell survival, either by synthesizing a vital metabolite, or destroying a toxin, then cell survival is a function of enzyme activity. Such systems are generally only limited in throughput by the transformation efficiency of cells. They are also less expensive and labour intensive than screening, however they are typically difficult to engineer, prone to artefacts and give no information on the range of activities present in the library.
Скрининг
Таңдаудың баламасы – скрининг жүйесі. Әрбір геннің нұсқасы жеке-жеке экспрессияланып, оның активтілігі сандық түрде өлшенеді (көбінесе түсті немесе флуоресценттік өнім арқылы). Нұсқалар содан кейін рейтингтеледі және эксперимент жүргізуші келесі DE раундысы үшін қай нұсқаларды үлгі ретінде пайдалануға шешім қабылдайды. Ең жоғары өнімділіктегі талдаулардың өзі таңдау әдістерімен салыстырғанда жабылу деңгейі төмен болуы мүмкін, бірақ тексерілген әрбір нұсқа туралы толыққанды ақпарат алуға мүмкіндік береді. Бұл бөлінген деректер кітапханалардағы активтілік таралуын сипаттау үшін де қолданылуы мүмкін, бұл қарапайым таңдау жүйелерінде мүмкін емес. Сондықтан, скрининг жүйелері адаптивті эволюцияны және фитнес ландшафтын эксперименттік тұрғыдан сипаттау үшін артықшылықтар ұсынады.
An alternative to selection is a screening system. Each variant gene is individually expressed and assayed to quantitatively measure the activity (most often by a colourgenic or fluorogenic product). The variants are then ranked and the experimenter decides which variants to use as templates for the next round of DE. Even the most high throughput assays usually have lower coverage than selection methods but give the advantage of producing detailed information on each one of the screened variants. This disaggregated data can also be used to characterise the distribution of activities in libraries which is not possible in simple selection systems. Screening systems, therefore, have advantages when it comes to experimentally characterising adaptive evolution and fitness landscapes.
Тұқым қуалаушылықты қамтамасыз ету
Функционалдық ақуыздар оқшауланған кезде, олардың гендері де оқшауланған болуы қажет, сондықтан генотип-фенотип байланысын орнату керек. немесе эмульсия тамшылары. Оқшауланған ген тізбектері ПТР (ПЦР) арқылы немесе трансформацияланған қабылдаушы бактериялар арқылы күшейтіледі. Ең жақсы тізбек немесе тізбектер жиынтығы келесі мутагенез айналымы үшін матрица ретінде қолданылуы мүмкін. Диверсификация, іріктеу және күшейтудің қайталама циклдары қолданылған іріктеу қысымына бейімделген ақуыз варианттарын жасайды.
When functional proteins have been isolated, it is necessary that their genes are too, therefore a genotype–phenotype link is required. or emulsion droplets. The gene sequences isolated are then amplified by PCR or by transformed host bacteria. Either the single best sequence, or a pool of sequences can be used as the template for the next round of mutagenesis. The repeated cycles of Diversification Selection Amplification generate protein variants adapted to the applied selection pressures.
Бағдарланған эволюцияның артықшылықтары
Белокты рационалды жобалау үшін оның құрылымын және катализдік механизмін терең білу қажет. Содан кейін белоктың функциясын өзгерту үшін сайтқа бағытталған мутация жасау арқылы нақты өзгерістер енгізіледі. Мұның бір кемшілігі – ақуыздың құрылымы мен әрекет ету механизмі жақсы белгілі болған жағдайда да, мутация нәтижесінде болатын өзгерістерді болжау қиын. Сондықтан, эволюциялық инженерияның (DE) артықшылығы – қажетті белсенділіктің механизмін немесе мутациялар оған қалай әсер ететінін түсінудің қажеті жоқ.
Rational design of a protein relies on an in depth knowledge of the protein structure, as well as its catalytic mechanism. Specific changes are then made by site directed mutagenesis in an attempt to change the function of the protein. A drawback of this is that even when the structure and mechanism of action of the protein are well known, the change due to mutation is still difficult to predict. Therefore, an advantage of DE is that there is no need to understand the mechanism of the desired activity or how mutations would affect it.
Бағдарланған эволюцияның шектеулері
Бағытталған эволюцияның шектеулері – түрлі кездейсоқ мутациялардың әсерін өлшеу үшін жоғары өнімділіктегі талдау қажет. Бұл, бағытталған эволюция үшін қолдануға дейін, ауқымды зерттеулер мен әзірлемелерді талап етеді. Сонымен қатар, мұндай талдаулар көбінесе нақты бір белсенділікті бақылауға бағытталғандықтан, жаңа ДЭ эксперименттеріне ауыстыру қиын. Белгілі бір функцияны жақсартуға бағытталған іріктеу, сол функцияның жақсаруына ғана әкеледі. Бұл жақсарулардың қалай орын алғанын түсіну үшін, эволюцияға ұшыраған ферменттің қасиеттерін өлшеу қажет. Тексерілген белсенділіктің жақсаруы ферменттің катализдік белсенділігінің немесе фермент концентрациясының артуынан болуы мүмкін. Бір субстрат бойынша жақсару, екінші субстраттың белсенділігін жақсартады деген кепілдік жоқ. Бұл, қажетті белсенділікті тікелей тексеру немесе іріктеу мүмкін болмаған жағдайда ерекше маңызды, сондықтан «прокси» субстрат қолданылады. ДЭ, қажетті белсенділікті жақсартпай, прокси субстратқа эволюциялық мамандануға алып келуі мүмкін. Сондықтан, ДЭ-нің сәтті болуы үшін тиісті тексеру немесе іріктеу шарттарын таңдау өте маңызды. Эксперименттегі эволюция жылдамдығы да бағытталған эволюцияның тиімділігін шектейді. Мысалы, нақты бір фенотиптің эволюциясы теориялық тұрғыдан мүмкін болғанымен, іс жүзінде қолдануға келмейтін уақыт аралығында жүруі мүмкін. Жақындағы теориялық тәсілдер, статистикалық физикадан алынған кері диабатикалық күштерді қолдану арқылы жылдамдық шектеуін жеңуге бағытталған, бірақ бұл әлі бағытталған эволюциялық экспериментте іске асырылмаған.
A restriction of directed evolution is that a high throughput assay is required in order to measure the effects of a large number of different random mutations. This can require extensive research and development before it can be used for directed evolution. Additionally, such assays are often highly specific to monitoring a particular activity and so are not transferable to new DE experiments. Additionally, selecting for improvement in the assayed function simply generates improvements in the assayed function. To understand how these improvements are achieved, the properties of the evolving enzyme have to be measured. Improvement of the assayed activity can be due to improvements in enzyme catalytic activity or enzyme concentration. There is also no guarantee that improvement on one substrate will improve activity on another. This is particularly important when the desired activity cannot be directly screened or selected for and so a ‘proxy’ substrate is used. DE can lead to evolutionary specialisation to the proxy without improving the desired activity. Consequently, choosing appropriate screening or selection conditions is vital for successful DE. The speed of evolution in an experiment also poses a limitation on the utility of directed evolution. For instance, evolution of a particular phenotype, while theoretically feasible, may occur on time scales that are not practically feasible. Recent theoretical approaches have aimed to overcome the limitation of speed through an application of counter diabatic driving techniques from statistical physics, though this has yet to be implemented in a directed evolution experiment.
Комбинациялық тәсілдер
Рационалды жобалау мен бағытталған эволюцияның шектеулерін жою үшін біріктірілген "жартылай рационалды" тәсілдер зерттелуде. Пайдалы мутациялар сирек болатындықтан, жақсартылған варианттарды табу үшін көптеген кездейсоқ мутанттарды тексеру қажет. "Нақтыланған кітапханалар" ДЕ-нің мутагенез кезеңінде пайдалы мутацияларға бай деп есептелетін аймақтарды кездейсоқ өзгертуге бағытталған. Нақтыланған кітапханада дәстүрлі кездейсоқ мутагенез кітапханасына қарағанда аз варианттар болады, демек, жоғары өнімділіктегі скрининг қажеттілігі төмендейді. Нақтыланған кітапхана құру үшін құрылымдағы қай қалдықтарды мутациялау керектігі туралы белгілі бір білім қажет. Мысалы, ферменттің активті ортасы туралы білу субстратпен байланысатын қалдықтарды ғана кездейсоқ өзгертуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, белоктың қай аймақтары табиғатта өзгергіш екенін білу мутагенезді осы аймақтарға бағыттауға көмектеседі.
Combined, 'semi rational' approaches are being investigated to address the limitations of both rational design and directed evolution. Beneficial mutations are rare, so large numbers of random mutants have to be screened to find improved variants. 'Focused libraries' concentrate on randomising regions thought to be richer in beneficial mutations for the mutagenesis step of DE. A focused library contains fewer variants than a traditional random mutagenesis library and so does not require such high throughput screening. Creating a focused library requires some knowledge of which residues in the structure to mutate. For example, knowledge of the active site of an enzyme may allow just the residues known to interact with the substrate to be randomised. Alternatively, knowledge of which protein regions are variable in nature can guide mutagenesis in just those regions.
Қолданбалар
Бағытталған эволюция ақуыздық инженерияда рационалды жобалаудың орнына жиі қолданылады, бірақ фермент эволюциясының түпкілікті мәселелерін зерттеу үшін де пайдаланылуы мүмкін.
Directed evolution is frequently used for protein engineering as an alternative to rational design, but can also be used to investigate fundamental questions of enzyme evolution.
Протеомалардың табиғи аминқышқылдарының құрамын, тәжірибелік жағдайда таңдалған селекциялық қысым астында, тиісті каноникалық емес аналогтарымен жалпы каноникалық аминқышқылдарын алмастыру арқылы өзгертуге болады. Мысалы, Escherichia coli және Bacillus subtilis бактерияларында табиғи аминқышқылдарды фторлы аналогтармен алмастыруға талпыныс жасалды. 2015 жылы Будиза мен Солл Escherichia coli-дегі 20899 UGG кодонына жауап ретінде триптофанды тиенопиррол аланинімен толық алмастыруды хабарлады. Қосымша аминқышқылды анық қабылдайтын микробтық штаммдардың эволюциясы генетикалық кодты тәжірибелік түрде кеңейту үшін маңызды құрал болады деп күтілуде. Бағытталған эволюция әдетте мутагенез үшін нақты генді таңдайды, содан кейін пайда болған варианттарды қызығушылық тудыратын фенотип бойынша, көбінесе тіршілік етуге байланыссыз, тексеріп отырады, ал бейімделген зертханалық эволюция белсенді өсетін мәдениеттердің тіршілік етуіне үлес қосатын геномдық деңгейдегі көптеген мутацияларды іріктейді.
The natural amino acid composition of proteomes can be changed by global canonical amino acids substitutions with suitable noncanonical counterparts under the experimentally imposed selective pressure. For example, global proteome wide substitutions of natural amino acids with fluorinated analogs have been attempted in Escherichia coli and Bacillus subtilis. A complete tryptophan substitution with thienopyrrole alanine in response to 20899 UGG codons in Escherichia coli was reported in 2015 by Budisa and Söll. The experimental evolution of microbial strains with a clear cut accommodation of an additional amino acid is expected to be instrumental for widening the genetic code experimentally. Directed evolution typically targets a particular gene for mutagenesis and then screens the resulting variants for a phenotype of interest, often independent of fitness effects, whereas adaptive laboratory evolution selects many genome wide mutations that contribute to the fitness of actively growing cultures.