حتی اشکال زندگی مصنوعی با یک ژنوم کوچک می توانند تکامل یابند | مجله کوانتا

هفت سال پیش، محققان نشان دادند که می‌توانند سلول‌ها را به ابتدایی‌ترین پایه‌هایشان بردارند و شکلی از زندگی با کوچک‌ترین ژنوم ایجاد کنند که هنوز به آن اجازه رشد و تقسیم در آزمایشگاه را می‌دهد. اما با از دست دادن نیمی از بار ژنتیکی خود، آن سلول «حداقل» نیز مقداری از سختی و سازگاری را که حیات طبیعی طی میلیاردها سال تکامل یافته بود، از دست داد. این موضوع باعث شد که زیست‌شناسان به این فکر کنند که آیا این کاهش ممکن است یک سفر یک طرفه باشد: آیا در هرس سلول‌ها به مواد ضروری خود، سلول‌ها را ناتوان از تکامل رها کرده‌اند، زیرا نمی‌توانند حتی با تغییر یک ژن دیگر زنده بمانند؟

اکنون ما مدرکی داریم که حتی یکی از ضعیف‌ترین و ساده‌ترین موجودات خودتکثیر شونده روی این سیاره می‌تواند سازگار شود. تیمی از دانشگاه ایندیانا، طی تنها 300 روز تکامل در آزمایشگاه، معادل نسلی 40,000 سال انسان، سلول‌های بسیار ناچیز تمام تناسب اندام خود را که قربانی کرده بودند بازیافتند. اخیرا گزارش در مجله طبیعت. محققان دریافتند که سلول ها به فشارهای انتخابی و همچنین باکتری های کوچکی که از آنها مشتق شده اند پاسخ می دهند. دومین گروه تحقیقاتی در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، به طور مستقل در کاری که برای انتشار پذیرفته شده است، به نتیجه مشابهی رسید.

می‌گوید: «به نظر می‌رسد زندگی، حتی زندگی ساده‌ای مثل یک سلول کوچک، بسیار قوی‌تر از آن چیزی است که فکر می‌کردیم.» کیت آدامالا، بیوشیمیست و استادیار دانشگاه مینه سوتا که در هیچ یک از این مطالعات شرکت نداشت. "شما می توانید به آن سنگ پرتاب کنید، و هنوز هم زنده می ماند." حتی در ژنومی که هر ژن هدفی را دنبال می‌کند و تغییر ظاهراً مضر است، تکامل موجودات را به‌طور سازگاری شکل می‌دهد.

گفت: "این یک دستاورد خیره کننده است." روزانا ضیافیزیکدانی در دانشگاه میسوری که هدفش ساخت مدلی مبتنی بر فیزیک از یک سلول حداقلی است و در این مطالعه شرکت نداشته است. به گفته او، کار جدید نشان داد که حتی بدون هیچ گونه منابع ژنومی، حداقل سلول ها می توانند تناسب اندام خود را با تغییرات تصادفی در ژن های ضروری افزایش دهند.

آزمایش‌های تکاملی جدید شروع به ارائه بینشی در مورد چگونگی تکامل کوچک‌ترین و ساده‌ترین موجودات می‌کنند - و اینکه چگونه اصول تکامل همه اشکال حیات، حتی نوآوری‌های ژنتیکی توسعه‌یافته در آزمایشگاه‌ها را متحد می‌کند. جان گلس، نویسنده ای در این زمینه گفت: "به طور فزاینده ای، ما شاهد شواهدی هستیم که نشان می دهد این [حداقل سلول] ارگانیسمی است که چیز عجیبی نیست و بر خلاف بقیه حیات روی زمین است." طبیعت مطالعه و رهبر گروه زیست شناسی مصنوعی در موسسه جی کریگ ونتر (JCVI) در کالیفرنیا که اولین سلول حداقل را مهندسی کرد.

چه می شود اگر آن را رها کنیم؟

درست همانطور که فیزیکدانان قرن 19 و 20 از هیدروژن، ساده ترین اتم، برای دستیابی به اکتشافات اساسی در مورد ماده استفاده کردند، زیست شناسان مصنوعی سلول های حداقلی را برای مطالعه اصول اولیه زندگی ایجاد کرده اند. این هدف در سال 2016 زمانی که گلس و همکارانش محقق شد یک سلول حداقلی تولید کرد، JCVI-syn3.0. آنها از آن الگوبرداری کردند مایکوپلاسما مایکوئیدها، یک باکتری انگلی ساکن بز که در حال حاضر با یک ژنوم بسیار کوچک از بین می رود. در سال 2010، این تیم JCVI-syn1.0، یک نسخه مصنوعی از سلول طبیعی باکتری را مهندسی کردند. آنها با استفاده از آن به عنوان راهنما، فهرستی از ژن‌های ضروری را تهیه کردند، آن‌ها را در یک سلول مخمر جمع‌آوری کردند و سپس آن ژنوم جدید را به یک سلول باکتریایی نزدیک به هم که از DNA اصلی خود خالی شد، منتقل کردند.

دو سال بعد در کنفرانسی در نیوانگلند، جی لنونیک زیست شناس تکاملی در دانشگاه بلومینگتون ایندیانا، به صحبتی گوش داد کلاید هاچیسون، استاد بازنشسته در JCVI که تیم مهندسی سلول حداقل را رهبری کرده بود. پس از آن، لنون از او پرسید: "وقتی این ارگانیسم را رها می کنید چه اتفاقی می افتد؟" یعنی، اگر سلول های حداقلی تحت فشار انتخاب طبیعی مانند باکتری های موجود در طبیعت قرار گیرند، چه اتفاقی می افتد؟

برای لنون به عنوان یک زیست شناس تکاملی، این سوال واضح بود. اما پس از اینکه او و هاچیسون هر دو برای چند دقیقه در مورد آن فکر کردند، معلوم شد که پاسخ این سوال نبود.

لنون گفت: سلول حداقل "نوعی از زندگی است - این یک نوع زندگی مصنوعی است، اما هنوز حیات است." بنابراین باید مانند گوریل ها، قورباغه ها، قارچ ها و همه موجودات دیگر به فشارهای تکاملی پاسخ دهد. لنون گفت، اما فرضیه کلی این بود که ژنوم ساده شده ممکن است "توانایی این ارگانیسم را برای تکامل سازگاری فلج کند."

با این حال، هیچ‌کس سرنخی نداشت که واقعاً چه اتفاقی می‌افتد، زیرا محققان معمولاً مراقبت زیادی برای جلوگیری از تکامل حداقل سلول‌ها انجام داده‌اند. هنگامی که نمونه‌هایی از سلول‌ها توسط JCVI به هر یک از تقریباً 70 آزمایشگاهی که اکنون با آنها کار می‌کنند توزیع می‌شوند، آن‌ها دست نخورده و در دمای منفی 80 درجه سانتی‌گراد منجمد می‌شوند. لنون گفت: وقتی آنها را بیرون می آورید، مانند اولین روز آنها روی زمین است: "اینها سلول های کاملاً جدیدی هستند که هرگز یک روز تکامل را ندیده بودند."

مدت کوتاهی پس از برخورد آنها، هاچیسون لنون را با گلس در تماس قرار داد، او نمونه هایی از سلول های حداقلی تیمش را با آزمایشگاه لنون در ایندیانا به اشتراک گذاشت. سپس لنون و روی موگر-ریشر، دانشجوی کارشناسی ارشد او در آن زمان، دست به کار شدند.

آزمایش سلول های ساده شده

آنها با آزمایشی با هدف اندازه گیری میزان جهش در سلول های حداقل شروع کردند. آنها بارها و بارها تکه ای از حداقل جمعیت سلولی در حال رشد را به ظروف پتری منتقل کردند که باعث شد سلول ها بدون تأثیرات محدودکننده ای مانند رقابت رشد کنند. آنها دریافتند که سلول حداقل با سرعتی قابل مقایسه با سلول های مهندسی شده جهش می یابد M. mycoides - که بالاترین میزان جهش باکتریایی ثبت شده است.

جهش‌ها در این دو موجود تقریباً مشابه بودند، اما محققان متوجه شدند که یک سوگیری جهشی طبیعی در سلول حداقل اغراق‌آمیز است. در M. mycoides در سلول‌ها، یک جهش 30 برابر بیشتر از برعکس، یک A یا T را در کد ژنتیکی G یا C تغییر می‌دهد. در سلول حداقل، 100 برابر بیشتر بود. توضیح احتمالی این است که برخی از ژن‌هایی که در طی فرآیند کمینه‌سازی حذف می‌شوند، معمولاً از آن جهش جلوگیری می‌کنند.

در سری دوم آزمایش‌ها، به جای آوردن گروه کوچکی از سلول‌ها، محققان جمعیت‌های متراکم سلولی را به مدت 300 روز و 2,000 نسل منتقل کردند. این امر باعث شد رقابت و انتخاب طبیعی بیشتری رخ دهد و جهش‌های مفید و ظهور گونه‌های ژنتیکی که در نهایت در تمام سلول‌ها ختم می‌شد، مورد حمایت قرار گرفت.

برای اندازه گیری تناسب سلول ها، حداکثر سرعت رشد آنها را هر 65 تا 130 نسل محاسبه کردند. هر چه سلول ها سریعتر رشد کنند، سلول های دختر بیشتری برای نسل بعدی تولید می کنند. برای مقایسه تناسب سلول های حداقل تکامل یافته و تکامل نیافته، محققان آنها را مجبور کردند تا با باکتری های اجدادی رقابت کنند. آنها میزان فراوانی سلول ها را در شروع آزمایش و پس از 24 ساعت اندازه گیری کردند.

آنها محاسبه کردند که سلول حداقلی اولیه 53 درصد از تناسب نسبی خود را همراه با ژن های غیر ضروری خود از دست داده است. لنون گفت این به حداقل رساندن سلول را بیمار کرده بود. با این حال، در پایان آزمایش‌ها، سلول‌های حداقلی تمام آن تناسب اندام را دوباره به وجود آوردند. آنها می توانند پا به پا در برابر باکتری های اجدادی حرکت کنند.

گفت: "این ذهن من را منفجر کرد." آنتونی وکیارلییک میکروبیولوژیست در دانشگاه میشیگان که در این مطالعه شرکت نداشت. "شما فکر می کنید که اگر فقط ژن های اساسی داشته باشید، اکنون واقعاً میزان تکامل را محدود کرده اید که ... می تواند در جهت مثبت باشد."

با این حال، قدرت انتخاب طبیعی واضح بود: به سرعت تناسب اندام را در ساده‌ترین ارگانیسم‌های خودمختار، که انعطاف‌پذیری کمی برای جهش داشتند، بهینه کرد. زمانی که لنون و موگر-ریشر تناسب نسبی موجودات را تنظیم کردند، دریافتند که حداقل سلول‌ها 39 درصد سریع‌تر از سلول‌های مصنوعی تکامل می‌یابند. M. mycoides باکتری هایی که از آنها مشتق شده اند.

تجارت ترس و طمع

وکیارلی گفت که این مطالعه یک گام اول "فوق العاده قابل تامل" بود. مشخص نیست که اگر سلول‌ها به تکامل خود ادامه دهند، چه اتفاقی می‌افتد: آیا آن‌ها برخی از ژن‌ها یا پیچیدگی‌هایی را که در فرآیند به حداقل رساندن از دست داده بودند، به دست خواهند آورد؟ به هر حال، خود سلول حداقل هنوز کمی رمز و راز است. حدود 80 ژن از ژن های ضروری برای بقای آن هیچ عملکرد شناخته شده ای ندارند.

این یافته ها همچنین سوالاتی را در مورد اینکه کدام ژن باید در سلول حداقل باقی بماند تا انتخاب طبیعی و تکامل ادامه یابد، مطرح می کند.

از سال 2016، تیم JCVI برخی از ژن‌های غیرضروری را اضافه کرده است تا به حداقل رده‌های سلولی کمک کند تا بیشتر شبیه سلول‌های طبیعی رشد کرده و تقسیم شوند. قبل از اینکه آنها این کار را انجام دهند، JCVI-syn3.0 در حال رشد بود و به اشکال عجیب و غریب تقسیم می‌شد، پدیده‌ای که گلس و تیمش در حال بررسی آن هستند تا ببینند سلول‌های حداقلی آن‌ها مانند سلول‌های اولیه تقسیم می‌شوند یا خیر.

محققان دریافتند که بیشتر جهش‌های مفیدی که انتخاب طبیعی در آزمایش‌هایشان به آن‌ها علاقه نشان می‌دهد، در ژن‌های ضروری بود. اما یک جهش حیاتی در یک ژن غیر ضروری به نام بود ftsZکه پروتئینی را کد می کند که تقسیم سلولی را تنظیم می کند. وقتی جهش پیدا کرد M. mycoides، این باکتری 80 درصد بزرگتر شد. جالب اینجاست که همین جهش در سلول حداقل اندازه آن را افزایش نداد. لنون گفت که این نشان می دهد که چگونه جهش ها بسته به بافت سلولی می توانند عملکردهای متفاوتی داشته باشند.

در یک مطالعه تکمیلی، که توسط آن پذیرفته شده است آی ساینس اما هنوز منتشر نشده است، گروهی به رهبری برنهارد پالسون در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، نتایج مشابهی را از آزمایش‌ها بر روی گونه‌ای از همان سلول حداقل گزارش کرد. آنها یک را پیدا نکردند ftsZ پالسون گفت که جهش در سلول های حداقل تکامل یافته خود، اما آنها جهش های مشابهی را در ژن های دیگر که تقسیم سلولی را کنترل می کنند، پیدا کردند، و بر این نکته تأکید کردند که راه های متعددی برای دستیابی به یک نتیجه بیولوژیکی وجود دارد.

آنها اندازه سلول را بررسی نکردند، اما بررسی کردند که کدام ژن قبل، در طول و بعد از دوره تکامل بیان شده است. آنها یک "معادل طمع ترس" را مشاهده کردند، تمایلی که در باکتری‌های طبیعی نیز مشاهده می‌شود تا جهش‌هایی در ژن‌هایی ایجاد کنند که به رشد آن کمک می‌کند تا جهش‌هایی که پروتئین‌های ترمیم‌کننده DNA بیشتری تولید می‌کنند تا خطاها را اصلاح کنند.

پالسون گفت: در اینجا می توانید ببینید که "جهش ها تمایل دارند فرآیندهای سلولی را که برای بهبود عملکرد مورد نیاز است منعکس کنند."

ضیا گفت که نشان دادن اینکه حداقل سلول می‌تواند مانند سلول‌هایی با ژنوم طبیعی‌تر تکامل یابد، مهم بود زیرا تأیید می‌کرد که «به طور کلی چقدر به خوبی زندگی را نشان می‌دهد». برای بسیاری از محققان، تمام هدف یک سلول حداقلی این است که به عنوان یک راهنمای بسیار مفید برای درک سلول های طبیعی پیچیده تر و قوانینی که از آنها پیروی می کنند، عمل کند.

مطالعات دیگر نیز شروع به بررسی چگونگی واکنش سلول های حداقلی به فشارهای طبیعی کرده اند. گروهی گزارش دادند آی ساینس در سال 2021 حداقل سلول ها می توانند به سرعت در برابر آنتی بیوتیک های مختلف مقاومت کنند، درست مانند باکتری ها.

دانستن اینکه کدام ژن‌ها بیشتر احتمال دارد جهش پیدا کنند و منجر به سازگاری‌های مفید شوند، می‌تواند روزی به محققان کمک کند داروهایی طراحی کنند که در طول زمان در آنچه در بدن انجام می‌دهند بهتر شوند. آدامالا گفت: برای ساخت اشکال حیات مصنوعی قوی که توانایی های بسیار متفاوتی دارند، زیست شناسان تکاملی و زیست شناسان مصنوعی باید با هم کار کنند، "زیرا هر چقدر هم که شما آن را مهندسی کنید، هنوز زیست شناسی است و زیست شناسی در حال تکامل است."