Isegi sünteetilised eluvormid, millel on väike genoom, võivad areneda | Ajakiri Quanta

Seitse aastat tagasi näitasid teadlased, et nad suudavad rakke hävitada kuni nende põhialusteni, luues väikseima genoomiga eluvormi, mis võimaldas sellel veel laboris kasvada ja jaguneda. Kuid kaotades poole oma geneetilisest koormusest, kaotas see "minimaalne" rakk ka osa vastupidavusest ja kohanemisvõimest, mille loomulik elu arenes miljardite aastate jooksul. See pani bioloogid mõtlema, kas vähendamine võis olla ühesuunaline reis: kas rakkude pügamisel nende põhiolemuseni olid nad jätnud rakud arenemisvõimetuks, kuna nad ei suutnud ellu jääda isegi veel ühe geeni muutuse tõttu?

Nüüd on meil tõestus, et isegi üks planeedi kõige nõrgemaid ja lihtsamaid isepaljunevaid organisme suudab kohaneda. Vaid 300-päevase evolutsiooni jooksul laboris, mis vastab põlvkonnale 40,000 XNUMX inimaastale, saavutasid vähesel määral minimaalsed rakud kogu vormi, mille nad olid ohverdanud, ütles Indiana ülikooli meeskond. hiljuti teatas ajakirjas loodus. Uurijad leidsid, et rakud reageerisid selektsioonisurvele sama hästi kui pisikesed bakterid, millest need pärinevad. Teine San Diego California ülikooli uurimisrühm jõudis avaldamiseks heaks kiidetud töös iseseisvalt sarnasele järeldusele.

"Selgub, et elu, isegi nii lihtne elu, nagu minimaalne rakk, on palju vastupidavam, kui me arvasime," ütles Kate Adamala, biokeemik ja Minnesota ülikooli dotsent, kes ei osalenud kummaski uuringus. "Võite selle pihta kive loopida ja see jääb ikka ellu." Isegi genoomis, kus igal üksikul geenil on eesmärk ja muutus oleks näiliselt kahjulik, vormib evolutsioon organisme adaptiivselt.

"See on vapustav saavutus," ütles Roseanna Zia, Missouri ülikooli füüsik, kelle uurimistöö eesmärk on luua minimaalse raku füüsikapõhine mudel ja kes ei osalenud uuringus. Uus töö näitas, et isegi ilma genoomiressurssideta võivad minimaalsed rakud suurendada oma sobivust oluliste geenide juhuslike muutustega.

Uued evolutsioonikatsed hakkavad andma teadmisi selle kohta, kuidas väikseimad ja lihtsamad organismid võivad areneda – ja kuidas evolutsiooni põhimõtted ühendavad kõiki eluvorme, isegi laborites välja töötatud geneetilisi uudseid. "Me näeme üha enam tõendeid selle kohta, et see [minimaalne rakk] on organism, mis ei ole midagi veidrat ja erinevalt ülejäänud elust Maal," ütles raamatu autor John Glass. loodus uuringus ja Californias J. Craig Venteri Instituudi (JCVI) sünteetilise bioloogia töörühma juht, kes koostas esmakordselt minimaalse raku.

Mis siis, kui me laseme selle lahti?

Nii nagu 19. ja 20. sajandi füüsikud kasutasid vesinikku, kõigist aatomitest lihtsaimat ainet puudutavate avastuste tegemiseks, on sünteetilised bioloogid arendanud minimaalselt rakke, et uurida elu põhiprintsiipe. See eesmärk saavutati 2016. aastal, kui Glass ja tema kolleegid tekitas minimaalse raku, JCVI-syn3.0. Nad modelleerisid selle järgi Mükoplasma mükoiidid, kitses elav parasiitbakter, mis saab juba väga väikese genoomiga läbi. 2010. aastal töötas meeskond välja JCVI-syn1.0, loodusliku bakteriraku sünteetilise versiooni. Kasutades seda juhisena, koostasid nad teadaolevalt oluliste geenide nimekirja, panid need kokku pärmirakku ja kandsid seejärel selle uue genoomi lähedalt seotud bakterirakku, mis tühjendati algsest DNA-st.

Kaks aastat hiljem New Englandi konverentsil Jay Lennon, Indiana ülikooli Bloomingtoni evolutsioonibioloog, kuulas kõnet Clyde Hutchison, JCVI emeriitprofessor, kes juhtis minimaalse raku projekteerimise meeskonda. Pärast seda küsis Lennon temalt: "Mis juhtub, kui lasete sellel organismil lahti?" See tähendab, mis juhtuks minimaalsete rakkudega, kui neile avaldataks loodusliku valiku survet nagu bakterid looduses?

Lennoni kui evolutsioonibioloogi jaoks oli küsimus ilmne. Kuid pärast seda, kui ta ja Hutchison mõlemad selle üle mõne minuti mõtisklesid, selgus, et vastus ei olnud.

Minimaalne rakk "on teatud tüüpi elu - see on kunstlik elutüüp, kuid see on natüürelu," ütles Lennon, kuna see vastab elu kui paljunemis- ja kasvuvõimelisele kõige elementaarsemale määratlusele. Seetõttu peaks see reageerima evolutsioonilisele survele täpselt nagu gorillad, konnad, seened ja kõik teised organismid. Kuid üldine hüpotees oli, et voolujooneline genoom võib "selle organismi võimet adaptiivselt areneda", ütles Lennon.

Kellelgi polnud aga aimugi, mis tegelikult juhtuma hakkab, sest teadlased on üldiselt väga hoolikalt jälginud, et minimaalsed rakud ei areneks. Kui JCVI jagab rakkude proovid mis tahes ligikaudu 70 laborisse, mis praegu nendega töötavad, tarnitakse need puutumata ja külmutatakse miinus 80 kraadi Celsiuse järgi. Kui need välja võtta, on see nagu nende esimene päev Maal, ütles Lennon: "Need on täiesti uued rakud, mis pole kunagi näinud evolutsiooni päeva."

Varsti pärast nende kohtumist võttis Hutchison Lennoni ühendust Glassiga, kes jagas oma meeskonna minimaalsete rakkude proove Lennoni laboriga Indianas. Seejärel asusid tööle Lennon ja tema toonane magistrant Roy Moger-Reischer.

Voolujooneliste rakkude testimine

Nad alustasid katsega, mille eesmärk oli mõõta mutatsioonimäärasid minimaalsetes rakkudes. Nad kandsid korduvalt killu kasvavast minimaalsest rakupopulatsioonist Petri tassidesse, mis vabastas rakud kasvama ilma, et see piiraks selliseid mõjusid nagu konkurents. Nad leidsid, et minimaalne rakk muteerub kiirusega, mis on võrreldav konstrueeritud raku omaga M. mycoides — mis on suurim registreeritud bakterite mutatsioonimäär.

Kahe organismi mutatsioonid olid üsna sarnased, kuid teadlased märkasid, et minimaalses rakus oli loomulik mutatsiooniline kõrvalekalle liialdatud. Aastal M. mycoides Mutatsioon vahetas 30 korda tõenäolisemalt A või T geneetilises koodis G või C vastu kui vastupidi. Minimaalses lahtris oli see 100 korda tõenäolisem. Tõenäoline selgitus on see, et mõned minimeerimisprotsessi käigus eemaldatud geenid takistavad tavaliselt seda mutatsiooni.

Teises katseseerias kandsid teadlased väikese rakurühma asemel üle tihedaid rakupopulatsioone 300 päeva ja 2,000 põlvkonna jooksul. See võimaldas suuremal konkurentsil ja looduslikul valikul tekkida, soodustades kasulikke mutatsioone ja geneetiliste variantide tekkimist, mis lõpuks jõudsid kõikidesse rakkudesse.

Rakkude sobivuse mõõtmiseks arvutasid nad nende maksimaalse kasvukiiruse iga 65–130 põlvkonna järel. Mida kiiremini rakud kasvasid, seda rohkem tütarrakke nad järgmise põlvkonna jaoks tootsid. Arenenud ja arenemata minimaalsete rakkude sobivuse võrdlemiseks panid teadlased need võistlema esivanemate bakteritega. Nad mõõtsid, kui palju rakke oli katse alguses ja 24 tunni pärast.

Nad arvutasid, et algne minimaalne rakk oli kaotanud 53% oma suhtelisest sobivusest koos oma ebaoluliste geenidega. Lennon ütles, et minimeerimine muutis raku haigeks. Kuid katsete lõpuks olid minimaalsed rakud kogu selle sobivuse tagasi arendanud. Nad võisid minna esivanemate bakterite vastu.

"See ajas mu peast läbi," ütles Anthony Vecchiarelli, Michigani ülikooli mikrobioloog, kes ei osalenud uuringus. "Võite arvata, et kui teil on ainult olulised geenid, olete nüüd tõesti piiranud evolutsiooni, mis … võib positiivses suunas liikuda."

Ometi oli loodusliku valiku jõud selge: see optimeeris kiiresti sobivuse isegi kõige lihtsamas autonoomses organismis, millel oli mutatsiooniks vähe või üldse mitte paindlikkust. Kui Lennon ja Moger-Reischer kohandasid organismide suhtelist sobivust, leidsid nad, et minimaalsed rakud arenesid 39% kiiremini kui sünteetilised rakud. M. mycoides bakterid, millest need pärinevad.

Hirmu ja ahnuse vahetus

Uuring oli "uskumatult mõtlemapanev" esimene samm, ütles Vecchiarelli. Pole kindel, mis juhtuks, kui rakud areneksid edasi: kas nad saaksid tagasi osa geenidest või keerukusest, mille nad minimeerimisprotsessis kaotasid? Lõppude lõpuks on minimaalne rakk ise endiselt natuke mõistatus. Umbes 80 geenil, mis on selle ellujäämiseks olulised, pole teadaolevat funktsiooni.

Leiud tõstatavad ka küsimusi selle kohta, millised geenid peavad loodusliku valiku ja evolutsiooni jätkumiseks minimaalses rakus püsima.

Alates 2016. aastast on JCVI meeskond lisanud mõned ebaolulised geenid, et aidata minimaalsetel rakuliinidel kasvada ja jaguneda rohkem nagu looduslikud rakud. Enne kui nad seda tegid, kasvas ja jagunes JCVI-syn3.0 veidrateks kujunditeks – nähtust, mida Glass ja tema meeskond uurivad, et näha, kas nende minimaalsed rakud jagunevad nii, nagu ürgrakud seda tegid.

Teadlased leidsid, et enamik loodusliku valiku poolt nende katsetes eelistatud kasulikest mutatsioonidest olid olulistes geenides. Kuid üks kriitiline mutatsioon oli ebaolulises geenis, mida nimetatakse ftsZ, mis kodeerib rakkude jagunemist reguleerivat valku. Kui see muteerus M. mycoides, kasvas bakter 80% suuremaks. Kummalisel kombel ei suurendanud sama mutatsioon minimaalses rakus selle suurust. See näitab, kuidas mutatsioonidel võivad sõltuvalt raku kontekstist olla erinevad funktsioonid, ütles Lennon.

Aastal täiendav uuring, mille on vastu võtnud iScience kuid veel avaldamata, juhitud rühm Bernhard Palsson California ülikoolis San Diegos teatasid samad tulemused katsetest sama minimaalse raku variandiga. Nad ei leidnud a ftsZ mutatsioon nende arenenud minimaalsetes rakkudes, kuid nad leidsid sarnaseid mutatsioone ka teistes rakkude jagunemist reguleerivates geenides, rõhutades, et bioloogilise tulemuse saavutamiseks on mitu võimalust, ütles Palsson.

Nad ei vaadanud raku suurust, kuid kontrollisid, millised geenid ekspresseerusid enne evolutsiooni episoodi, selle ajal ja pärast seda. Nad täheldasid "hirmu ja ahnuse kompromissi", mis on ka looduslike bakterite puhul ilmnenud tendents arendada mutatsioone geenides, mis aitavad neil kasvada, mitte mutatsioone, mis tekitaksid vigade parandamiseks rohkem DNA parandusvalke.

Siin näete, et "mutatsioonid peegeldavad rakulisi protsesse, mis on vajalikud funktsiooni parandamiseks, " ütles Palsson.

Näidata, et minimaalne rakk võib areneda nagu loomulikuma genoomiga rakud, oli oluline, kuna see kinnitas, "kui hästi see elu üldiselt esindab", ütles Zia. Paljude teadlaste jaoks on minimaalse raku mõte olla kriitiliselt kasulik juhend keerukamate looduslike rakkude ja nende järgitavate reeglite mõistmiseks.

Teised uuringud on samuti hakanud uurima, kuidas minimaalsed rakud reageerivad looduslikule survele. Rühm teatas sisse iScience aastal 2021, et minimaalsed rakud võivad kiiresti arendada resistentsust erinevate antibiootikumide suhtes, nagu bakterid.

Teadmine, millised geenid muteeruvad tõenäolisemalt ja viivad kasulike kohandusteni, võib ühel päeval aidata teadlastel välja töötada ravimeid, mis aja jooksul kehas paremini toimivad. Tugevate sünteetiliste eluvormide loomiseks, millel on väga erinevad võimed, peavad evolutsioonibioloogid ja sünteetilised bioloogid koostööd tegema, "sest olenemata sellest, kui palju te seda kujundate, on see ikkagi bioloogia ja bioloogia areneb," ütles Adamala.