Selv syntetiske livsformer med et lille genom kan udvikle sig | Quanta Magasinet

For syv år siden viste forskere, at de kunne strippe celler ned til deres nøgneste fundament og skabe en livsform med det mindste genom, der stadig tillod det at vokse og dele sig i laboratoriet. Men ved at miste halvdelen af ​​sin genetiske belastning mistede den "minimale" celle også noget af den hårdførhed og tilpasningsevne, som det naturlige liv udviklede sig over milliarder af år. Det fik biologer til at spekulere på, om reduktionen kunne have været en envejs-tur: Ved at beskære cellerne til deres absolut nødvendige, havde de efterladt cellerne ude af stand til at udvikle sig, fordi de ikke kunne overleve en ændring i endnu et gen?

Nu har vi bevis for, at selv en af ​​de svageste, enkleste selvreplikerende organismer på planeten kan tilpasse sig. I løbet af blot 300 dages evolution i laboratoriet, generationsækvivalenten til 40,000 menneskeår, genvandt sølle minimale celler al den fitness, de havde ofret, et hold ved Indiana University for nylig rapporteret i tidsskriftet Natur. Forskerne fandt ud af, at cellerne reagerede på selektionstryk omtrent lige så godt som de små bakterier, som de var afledt af. En anden forskergruppe ved University of California, San Diego kom til en lignende konklusion uafhængigt i arbejde, der er blevet accepteret til offentliggørelse.

"Det viser sig, at livet, selv et så simpelt lunt liv som en minimal celle, er meget mere robust, end vi troede," sagde Kate Adamala, en biokemiker og assisterende professor ved University of Minnesota, som ikke var involveret i nogen af ​​undersøgelserne. "Du kan kaste sten efter den, og den vil stadig overleve." Selv i et genom, hvor hvert enkelt gen tjener et formål, og en ændring tilsyneladende ville være skadelig, former evolutionen organismer adaptivt.

"Det er en fantastisk præstation," sagde Roseanna Zia, en fysiker ved University of Missouri, hvis forskning sigter mod at bygge en fysikbaseret model af en minimal celle, og som ikke var involveret i undersøgelsen. Det nye arbejde viste, at selv uden genomressourcer til overs, sagde hun, kunne de minimale celler øge deres kondition med tilfældige ændringer i essentielle gener.

De nye evolutionseksperimenter begynder at give indsigt i, hvordan de mindste, enkleste organismer kan udvikle sig - og hvordan principper for evolution forener alle former for liv, selv genetiske nyheder udviklet i laboratorier. "I stigende grad ser vi beviser på, at denne [minimal celle] er en organisme, der ikke er noget bizar og i modsætning til resten af ​​livet på Jorden," sagde John Glass, en forfatter til Natur studie og leder af den syntetiske biologigruppe ved J. Craig Venter Institute (JCVI) i Californien, der først konstruerede den minimale celle.

Hvad hvis vi 'lader det løs'?

Ligesom fysikere fra det 19. og 20. århundrede brugte brint, det enkleste af alle atomer, til at gøre skelsættende opdagelser om stof, har syntetiske biologer udviklet minimale celler til at studere livets grundlæggende principper. Det mål blev realiseret i 2016, da Glass og hans kolleger produceret en minimal celle, JCVI-syn3.0. De modellerede det efter Mycoplasma mycoides, en gedelevende parasitbakterie, der allerede klarer sig med et meget lille genom. I 2010 havde holdet konstrueret JCVI-syn1.0, en syntetisk version af den naturlige bakteriecelle. Ved at bruge det som en guide, udarbejdede de en liste over gener, der vides at være essentielle, samlede dem i en gærcelle og overførte derefter det nye genom til en tæt beslægtet bakteriecelle, der blev tømt for dets oprindelige DNA.

To år senere på en konference i New England, Jay Lennon, en evolutionsbiolog ved Indiana University Bloomington, lyttede til en tale fra Clyde Hutchison, en professor emeritus ved JCVI, der havde ledet teamet, der konstruerede den minimale celle. Bagefter spurgte Lennon ham: "Hvad sker der, når du slipper denne organisme løs?" Det vil sige, hvad ville der ske med de minimale celler, hvis de blev udsat for naturligt selektionstryk som bakterier i naturen?

For Lennon som evolutionsbiolog var spørgsmålet indlysende. Men efter at han og Hutchison begge havde overvejet det i et par minutter, blev det tydeligt, at svaret ikke var det.

Den minimale celle "er en type liv - det er en kunstig type liv, men det er stadig liv," sagde Lennon, fordi den opfylder den mest grundlæggende definition af liv som noget, der er i stand til at reproducere og vokse. Den bør derfor reagere på evolutionære pres ligesom gorillaer, frøer, svampe og alle andre organismer gør. Men den overordnede hypotese var, at det strømlinede genom kunne "forkrøble denne organismes evne til adaptivt at udvikle sig," sagde Lennon.

Ingen havde dog en anelse om, hvad der virkelig ville ske, fordi forskere generelt har været meget omhyggelige med at forhindre minimale celler i at udvikle sig. Når prøver af cellerne distribueres af JCVI til nogen af ​​de omkring 70 laboratorier, der nu arbejder med dem, bliver de leveret uberørte og frosset ved minus 80 grader Celsius. Når du tager dem ud, er det ligesom deres første dag på Jorden, sagde Lennon: "Dette er helt nye celler, som aldrig havde set en dag med evolution."

Kort efter deres møde satte Hutchison Lennon i kontakt med Glass, som delte prøver af sit teams minimale celler med Lennons laboratorium i Indiana. Så kom Lennon og Roy Moger-Reischer, hans daværende kandidatstuderende, i gang.

Test af strømlinede celler

De begyndte med et eksperiment, der havde til formål at måle mutationsrater i de minimale celler. De overførte gentagne gange en del af den voksende minimale cellepopulation til petriskåle, som befriede cellerne til at vokse uden at begrænse påvirkninger som konkurrence. De fandt ud af, at den minimale celle muterede med en hastighed, der kan sammenlignes med den konstrueredes M. mycoides - som er den højeste af enhver registreret bakteriel mutationsrate.

Mutationerne i de to organismer var ret ens, men forskerne bemærkede, at en naturlig mutationsbias var overdrevet i den minimale celle. I den M. mycoides celler, var en mutation 30 gange mere tilbøjelig til at skifte et A eller et T i den genetiske kode for et G eller et C end omvendt. I den minimale celle var det 100 gange mere sandsynligt. Den sandsynlige forklaring er, at nogle gener fjernet under minimeringsprocessen normalt forhindrer denne mutation.

I en anden række eksperimenter, i stedet for at bringe over en lille gruppe af celler, overførte forskerne tætte populationer af celler i 300 dage og 2,000 generationer. Det gjorde det muligt for mere konkurrence og naturlig udvælgelse at finde sted, hvilket begunstigede gavnlige mutationer og fremkomsten af ​​genetiske varianter, der til sidst endte i alle cellerne.

For at måle cellernes kondition beregnede de deres maksimale væksthastighed hver 65. til 130. generation. Jo hurtigere cellerne voksede, jo flere datterceller producerede de til næste generation. For at sammenligne konditionen af ​​udviklede og uudviklede minimalceller fik forskerne dem til at konkurrere mod de forfædres bakterier. De målte, hvor mange cellerne var i starten af ​​eksperimentet og efter 24 timer.

De beregnede, at den oprindelige minimalcelle havde mistet 53% af sin relative kondition sammen med sine ikke-essentielle gener. Minimeringen havde "gjort cellen syg," sagde Lennon. Men ved afslutningen af ​​eksperimenterne havde de minimale celler udviklet al den kondition tilbage. De kunne gå tå-til-tå mod de forfædres bakterier.

"Det blæste mit sind," sagde Anthony Vecchiarelli, en mikrobiolog ved University of Michigan, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Man skulle tro, at hvis man kun har essentielle gener, så har man nu virkelig begrænset mængden af ​​evolution, der ... kan gå i den positive retning."

Alligevel var kraften i naturlig udvælgelse klar: Den optimerede hurtigt konditionen i selv den simpleste autonome organisme, som havde ringe eller ingen fleksibilitet til mutation. Da Lennon og Moger-Reischer justerede for organismernes relative kondition, fandt de ud af, at de minimale celler udviklede sig 39 % hurtigere end de syntetiske M. mycoides bakterier, som de stammer fra.

Afvejningen mellem frygt og grådighed

Undersøgelsen var et "utroligt tankevækkende" første skridt, sagde Vecchiarelli. Det er usikkert, hvad der ville ske, hvis cellerne fortsatte med at udvikle sig: Ville de få nogle af de gener eller kompleksitet tilbage, som de mistede i minimeringsprocessen? Selve minimalcellen er trods alt stadig lidt af et mysterium. Omkring 80 af de gener, der er afgørende for dens overlevelse, har ingen kendt funktion.

Resultaterne rejser også spørgsmål om, hvilke gener der skal forblive i den minimale celle, for at naturlig udvælgelse og evolution kan fortsætte.

Siden 2016 har JCVI-teamet tilføjet nogle ikke-essentielle gener for at hjælpe de minimale cellelinjer med at vokse og dele sig mere som naturlige celler. Før de gjorde det, voksede JCVI-syn3.0 og delte sig i mærkelige former, et fænomen som Glass og hans team er ved at undersøge for at se, om deres minimale celler deler sig, som urceller gjorde.

Forskerne fandt ud af, at de fleste af de gavnlige mutationer, der favoriseres af naturlig selektion i deres eksperimenter, var i essentielle gener. Men en kritisk mutation var i et ikke-essentielt gen kaldet ftsZ, som koder for et protein, der regulerer celledeling. Da det muterede ind M. mycoides, voksede bakterien sig 80 % større. Mærkeligt nok øgede den samme mutation i den minimale celle ikke dens størrelse. Det viser, hvordan mutationer kan have forskellige funktioner afhængigt af den cellulære kontekst, sagde Lennon.

I en supplerende undersøgelse, som er blevet accepteret af iScience men endnu ikke offentliggjort, en gruppe ledet af Bernhard Palsson ved University of California, San Diego rapporterede lignende resultater fra eksperimenter på en variant af den samme minimalcelle. De fandt ikke en ftsZ mutation i deres udviklede minimale celler, men de fandt lignende mutationer i andre gener, der styrer celledeling, hvilket understreger, at der er flere måder at opnå et biologisk resultat på, sagde Palsson.

De så ikke på cellestørrelse, men de tjekkede, hvilke gener der kom til udtryk før, under og efter evolutionens episode. De observerede en "frygt-grådighed-afvejning", en tendens, der også ses i naturlige bakterier til at udvikle mutationer i gener, der vil hjælpe det med at vokse frem for mutationer, der ville producere flere DNA-reparationsproteiner for at rette fejlene.

Her kan du se, at "mutationer har en tendens til at afspejle de cellulære processer, der er nødvendige for at forbedre en funktion," sagde Palsson.

At demonstrere, at den minimale celle kan udvikle sig som celler med et mere naturligt genom var vigtigt, fordi det validerede "hvor godt det repræsenterer livet generelt," sagde Zia. For mange forskere er hele pointen med en minimal celle at tjene som en kritisk nyttig guide til at forstå mere komplekse naturlige celler og de regler, de følger.

Andre undersøgelser begynder også at undersøge, hvordan minimale celler reagerer på naturlige tryk. En gruppe rapporterede i iScience i 2021, at minimale celler hurtigt kan udvikle resistens over for forskellige antibiotika, ligesom bakterier.

At vide, hvilke gener der er mere tilbøjelige til at mutere og føre til nyttige tilpasninger, kan en dag hjælpe forskere med at designe lægemidler, der bliver bedre til, hvad de gør i kroppen over tid. For at opbygge robuste syntetiske livsformer, der har meget forskellige evner, skal evolutionære biologer og syntetiske biologer arbejde sammen, "fordi uanset hvor meget du konstruerer det, er det stadig biologi, og biologi udvikler sig," sagde Adamala.