حتى أشكال الحياة الاصطناعية ذات الجينوم الصغير يمكن أن تتطور | مجلة كوانتا

قبل سبع سنوات ، أظهر الباحثون أن بإمكانهم تجريد الخلايا إلى أدنى أساسياتها ، وخلق شكل من أشكال الحياة باستخدام أصغر جينوم لا يزال يسمح لها بالنمو والانقسام في المختبر. ولكن في التخلص من نصف حملها الجيني ، فقدت تلك الخلية "الدنيا" أيضًا بعض الصلابة والقدرة على التكيف اللذين تطورتهما الحياة الطبيعية على مدى بلايين السنين. ترك ذلك علماء الأحياء يتساءلون عما إذا كان الاختزال قد يكون رحلة في اتجاه واحد: في تشذيب الخلايا إلى أساسياتها العارية ، هل تركوا الخلايا غير قادرة على التطور لأنهم لم يتمكنوا من البقاء على قيد الحياة حتى تغيير في جين واحد آخر؟

الآن لدينا دليل على أنه حتى واحدة من أضعف وأبسط الكائنات الحية ذاتية التكاثر على هذا الكوكب يمكنها التكيف. خلال 300 يوم فقط من التطور في المختبر ، أي ما يعادل 40,000 ألف سنة بشرية ، استعادت الخلايا الصغيرة للغاية كل اللياقة التي ضحوا بها ، فريق من جامعة إنديانا ذكرت مؤخرا في مجلة الطبيعة. وجد الباحثون أن الخلايا استجابت لضغوط الانتقاء وكذلك البكتيريا الدقيقة التي اشتُقت منها. توصلت مجموعة بحثية ثانية في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو إلى نتيجة مماثلة بشكل مستقل في العمل الذي تم قبوله للنشر.

"اتضح أن الحياة ، حتى الحياة الضعيفة البسيطة مثل الخلية الصغيرة ، أقوى بكثير مما كنا نظن ،" كيت آدمالا، عالم كيمياء حيوية وأستاذ مساعد في جامعة مينيسوتا لم يشارك في أي من الدراستين. "يمكنك إلقاء الحجارة عليها ، وستظل على قيد الحياة." حتى في الجينوم حيث يخدم كل جين غرضًا ، ويبدو أن التغيير ضارًا ، فإن التطور يصوغ الكائنات الحية بشكل تكيفي.

قال "إنه إنجاز مذهل" روزانا ضياء، عالم فيزياء في جامعة ميسوري يهدف بحثه إلى بناء نموذج قائم على الفيزياء لخلية صغيرة ولم يشارك في الدراسة. وأظهر العمل الجديد أنه حتى بدون توفير أي موارد للجينوم ، على حد قولها ، يمكن أن تزيد الخلايا الدنيا من لياقتها مع تغييرات عشوائية في الجينات الأساسية.

بدأت تجارب التطور الجديدة في تقديم رؤى حول كيفية تطور الكائنات الحية الأصغر والأبسط - وكيف توحد مبادئ التطور جميع أشكال الحياة ، حتى المستجدات الجينية التي تم تطويرها في المختبرات. قال جون جلاس ، مؤلف في الطبيعة وقائد مجموعة البيولوجيا التركيبية في معهد J. Craig Venter (JCVI) في كاليفورنيا الذي صمم لأول مرة الخلية الصغيرة.

ماذا لو "تركناها فضفاضة"؟

مثلما استخدم علماء الفيزياء في القرنين التاسع عشر والعشرين ، الهيدروجين ، وهو أبسط الذرات ، لاكتشافات جوهرية حول المادة ، طور علماء الأحياء التركيبية عددًا ضئيلًا من الخلايا لدراسة المبادئ الأساسية للحياة. تحقق هذا الهدف في عام 19 عندما قام جلاس وزملاؤه أنتجت خلية صغيرة، JCVI-syn3.0. قاموا بتصميمه بعد ذلك ميكوبلازما ميكويدات، وهي بكتيريا طفيلية تعيش على الماعز وتنتشر بالفعل بجينوم صغير جدًا. في عام 2010 ، صمم الفريق JCVI-syn1.0 ، وهي نسخة اصطناعية من الخلية البكتيرية الطبيعية. باستخدامه كدليل ، وضعوا قائمة بالجينات المعروفة بأهميتها ، وقاموا بتجميعها في خلية خميرة ثم نقلوا ذلك الجينوم الجديد إلى خلية بكتيرية وثيقة الصلة تم إفراغها من الحمض النووي الأصلي.

بعد ذلك بعامين في مؤتمر في نيو إنجلاند ، جاي لينون، عالم الأحياء التطوري في جامعة إنديانا بلومنجتون ، استمع إلى حديث من كلايد هاتشيسون، وهو أستاذ فخري في JCVI الذي قاد فريق هندسة الخلية الصغيرة. بعد ذلك ، سأله لينون ، "ماذا يحدث عندما تركت هذا الكائن الحي طليقًا؟" أي ما الذي سيحدث للخلايا الدنيا إذا تعرضت لضغوط الانتقاء الطبيعي مثل البكتيريا في البرية؟

بالنسبة إلى لينون كعالم أحياء تطوري ، كان السؤال واضحًا. ولكن بعد أن فكر هو وهوتشيسون في الأمر لبضع دقائق ، أصبح من الواضح أن الإجابة لم تكن كذلك.

قال لينون إن الخلايا الصغيرة "هي نوع من الحياة - إنها نوع مصطنع من الحياة ، لكنها لا تزال حياة" ، لأنها تحقق أبسط تعريف للحياة على أنها شيء قادر على التكاثر والنمو. لذلك يجب أن تستجيب للضغوط التطورية تمامًا مثل الغوريلا والضفادع والفطريات وجميع الكائنات الحية الأخرى. قال لينون إن الفرضية الشاملة كانت أن الجينوم المبسط قد "يشل قدرة هذا الكائن الحي على التطور بشكل تكيفي".

ومع ذلك ، لم يكن لدى أحد أدنى فكرة عما سيحدث حقًا ، لأن الباحثين حرصوا عمومًا على الحرص الشديد على منع الخلايا الدنيا من التطور. عندما يتم توزيع عينات من الخلايا بواسطة JCVI على أي من حوالي 70 معملًا تعمل معهم الآن ، يتم تسليمها بشكل أصلي وتجميدها عند -80 درجة مئوية تحت الصفر. قال لينون: عندما تخرجهم ، يكون ذلك مثل يومهم الأول على الأرض: "هذه خلايا جديدة تمامًا لم تشهد يومًا من التطور".

بعد وقت قصير من لقائهما ، قام هاتشيسون بوضع لينون على اتصال مع جلاس ، الذي شارك عينات من خلايا فريقه الصغيرة مع مختبر لينون في إنديانا. ثم بدأ لينون وروي موغر-ريشر ، طالب الدراسات العليا في ذلك الوقت ، بالعمل.

اختبار الخلايا المبسطة

بدأوا بتجربة تهدف إلى قياس معدلات الطفرات في الخلايا الصغرى. لقد قاموا مرارًا وتكرارًا بنقل قطعة صغيرة من العدد الأدنى المتزايد من الخلايا إلى أطباق بتري ، مما حرر الخلايا لتنمو دون تقييد التأثيرات مثل المنافسة. ووجدوا أن الحد الأدنى من الخلايا تحور بمعدل مماثل لتلك الخاصة بالخلية المصممة م. ميكويدس - وهو أعلى معدل للطفرات البكتيرية المسجلة.

كانت الطفرات في الكائنات الحية متشابهة إلى حد ما ، لكن الباحثين لاحظوا أن التحيز الطفري الطبيعي كان مبالغًا فيه في الخلية الصغيرة. في ال م. ميكويدس الخلايا ، كانت الطفرة أكثر احتمالا 30 مرة لتبديل A أو T في الشفرة الجينية لـ G أو C أكثر من العكس. في الحد الأدنى من الزنزانات ، كان احتمال حدوثه 100 مرة. التفسير المحتمل هو أن بعض الجينات التي تمت إزالتها أثناء عملية التصغير تمنع عادةً هذه الطفرة.

في سلسلة ثانية من التجارب ، بدلًا من إحضار مجموعة صغيرة من الخلايا ، نقل الباحثون مجموعات كثيفة من الخلايا لمدة 300 يوم و 2,000 جيل. سمح ذلك بمزيد من المنافسة والانتقاء الطبيعي ، مفضلاً الطفرات المفيدة وظهور المتغيرات الجينية التي انتهت في النهاية في جميع الخلايا.

لقياس مدى ملاءمة الخلايا ، قاموا بحساب معدل نموها الأقصى كل 65 إلى 130 جيلًا. كلما نمت الخلايا بشكل أسرع ، زاد عدد الخلايا الوليدة التي تنتجها للجيل التالي. لمقارنة ملاءمة الخلايا الدنيا المتطورة وغير المتطورة ، جعلها الباحثون تتنافس ضد البكتيريا الموروثة. قاموا بقياس مدى وفرة الخلايا في بداية التجربة وبعد 24 ساعة.

لقد حسبوا أن الخلية الأصلية الصغيرة فقدت 53٪ من لياقتها النسبية مع جيناتها غير الأساسية. قال لينون إن التصغير "جعل الزنزانة مريضة". ومع ذلك ، وبحلول نهاية التجارب ، طورت الخلايا الصغرى كل هذه اللياقة مرة أخرى. يمكنهم الذهاب من أخمص القدمين إلى أخمص القدمين ضد بكتيريا الأجداد.

"فجر هذا ذهني ،" قال أنتوني فيكياريلي، عالم الأحياء الدقيقة في جامعة ميتشيغان الذي لم يشارك في الدراسة. "قد تعتقد أنه إذا كان لديك جينات أساسية فقط ، فأنت الآن قد حدت حقًا من مقدار التطور الذي ... يمكنه أن يسير في الاتجاه الإيجابي."

ومع ذلك ، كانت قوة الانتقاء الطبيعي واضحة: فقد حسنت بسرعة اللياقة حتى في أبسط كائن مستقل ذاتيًا ، والذي كان يتمتع بمرونة ضئيلة أو معدومة للطفرة. عندما قام لينون وموجر-ريشر بتعديل الملاءمة النسبية للكائنات الحية ، وجدوا أن الخلايا الصغرى تطورت بنسبة 39٪ أسرع من الخلايا الاصطناعية. م. ميكويدس البكتيريا التي تم اشتقاقها منها.

التجارة بين الخوف والجشع

قال Vecchiarelli إن الدراسة كانت خطوة أولى "مثيرة للتفكير بشكل لا يصدق". من غير المؤكد ما الذي سيحدث إذا استمرت الخلايا في التطور: هل ستستعيد بعض الجينات أو التعقيد الذي فقدته في عملية التصغير؟ بعد كل شيء ، الخلية الصغيرة نفسها لا تزال غامضة بعض الشيء. حوالي 80 من الجينات الضرورية لبقائها ليس لها وظيفة معروفة.

تثير النتائج أيضًا أسئلة حول الجينات التي يجب أن تبقى في الخلية الدنيا من أجل الانتقاء الطبيعي والتطور للمضي قدمًا.

منذ عام 2016 ، قام فريق JCVI بإعادة بعض الجينات غير الأساسية لمساعدة خطوط الخلايا الدنيا على النمو والانقسام مثل الخلايا الطبيعية. قبل أن يفعلوا ذلك ، كان JCVI-syn3.0 ينمو وينقسم إلى أشكال غريبة ، وهي ظاهرة يبحث جلاس وفريقه لمعرفة ما إذا كانت خلاياهم الدنيا تنقسم بالطريقة التي تنقسم بها الخلايا البدائية.

وجد الباحثون أن معظم الطفرات المفيدة التي فضلها الانتقاء الطبيعي في تجاربهم كانت في الجينات الأساسية. لكن الطفرة الحرجة كانت في جين غير أساسي يسمى ftsZ، الذي يرمز إلى بروتين ينظم انقسام الخلايا. عندما تحور في م. ميكويدس، نمت البكتيريا أكبر بنسبة 80٪. من الغريب أن الطفرة نفسها في الخلية الصغرى لم تزيد من حجمها. قال لينون إن هذا يوضح كيف يمكن أن يكون للطفرات وظائف مختلفة اعتمادًا على السياق الخلوي.

في باقة دراسة تكميليةالتي تم قبولها من قبل iScience ولكن لم تنشر بعد ، وهي مجموعة بقيادة برنارد بالسون في جامعة كاليفورنيا ، أبلغت سان دييغو عن نتائج مماثلة من تجارب على متغير من نفس الخلية الصغيرة. لم يجدوا ftsZ قال بالسون إن الطفرة في خلاياهم الصغيرة المتطورة ، لكنهم وجدوا طفرات مماثلة في جينات أخرى تحكم انقسام الخلايا ، مؤكدين على أن هناك طرقًا متعددة لتحقيق نتيجة بيولوجية.

لم ينظروا إلى حجم الخلية ، لكنهم فحصوا الجينات التي تم التعبير عنها قبل وأثناء وبعد حلقة التطور. لاحظوا "مقايضة الجشع بالخوف" ، وهو اتجاه شوهد أيضًا في البكتيريا الطبيعية لتطوير طفرات في الجينات التي ستساعدها على النمو بدلاً من الطفرات التي من شأنها إنتاج المزيد من بروتينات إصلاح الحمض النووي لتصحيح الأخطاء.

قال بالسون هنا يمكنك أن ترى أن "الطفرات تميل إلى عكس العمليات الخلوية اللازمة لتحسين الوظيفة".

قال زيا إن إثبات أن الخلية الصغيرة يمكن أن تتطور مثل الخلايا ذات الجينوم الطبيعي أكثر كان أمرًا مهمًا لأنها أثبتت "مدى جودة تمثيلها للحياة بشكل عام". بالنسبة للعديد من الباحثين ، فإن الهدف الكامل للخلية الصغيرة هو أن تكون بمثابة دليل مفيد للغاية لفهم الخلايا الطبيعية الأكثر تعقيدًا والقواعد التي تتبعها.

بدأت دراسات أخرى أيضًا في التحقيق في كيفية استجابة الحد الأدنى من الخلايا للضغوط الطبيعية. ذكرت مجموعة في iScience في عام 2021 ، يمكن أن تطور الخلايا الصغيرة بسرعة مقاومة للمضادات الحيوية المختلفة ، تمامًا مثل البكتيريا.

إن معرفة الجينات التي من المرجح أن تتحور وتؤدي إلى تكيفات مفيدة يمكن أن تساعد الباحثين يومًا ما على تصميم الأدوية التي تتحسن فيما تفعله في الجسم بمرور الوقت. قال أدامالا إنه لبناء أشكال حياة اصطناعية قوية لها قدرات مختلفة تمامًا ، يجب أن يعمل علماء الأحياء التطورية وعلماء الأحياء التركيبية معًا ، "لأنه بغض النظر عن مقدار هندستها ، فإنها لا تزال علم الأحياء ، وعلم الأحياء يتطور".