سلول‌های مصنوعی که تقریباً از همه ژن‌هایشان جدا شده‌اند، هنوز در دوران تکامل رشد می‌کنند

زندگی راهی پیدا می کند.

این نتیجه یک مطالعه جدید در طبیعت، که سلول های باکتریایی مصنوعی را در برابر نیروی تکامل قرار داد. سلول‌های مصنوعی که به یک طرح ژنتیکی اسکلتی تبدیل شده‌اند، برای بقا با دست از دست دادن شروع به کار کردند.

با این حال، آنها رشد کردند و با سرعتی تقریباً 40 درصد سریعتر از همتایان غیر حداقلی خود تکامل یافتند. بیش از 2,000 نسل، سلول‌های کارآمد تناسب تکاملی خود را بازیافتند - توانایی زنده ماندن، رشد و تولیدمثل - که در ابتدا پس از حذف بخش بزرگی از ژن‌هایشان از بین رفت.

نتایج می تواند منادی الف نسل بعدی باکتری های مصنوعی که انسولین و سایر داروهای نجات دهنده را پمپاژ می کنند، سوخت های زیستی تولید می کنند یا مواد شیمیایی خطرناک زیستی را تجزیه می کنند – به جای مبارزه با قدرت تکامل.

هسته روی مجموعه‌ای از ژن‌های جهش‌یافته فرود آمد که به حداقل سلول برتری می‌داد. همین روش ممکن است سلول های مصنوعی را با هدایت چگونگی رشد نسل های بعدی، بیشتر اصلاح کند.

گذشته از استفاده های عملی، اکنون می توانیم به خود انتخاب طبیعی نگاه کنیم.

دکتر جی لنون، ​​نویسنده این مطالعه از دانشگاه بلومینگتون، گفت: «به نظر می‌رسد چیزی در زندگی وجود دارد که واقعاً قوی است. ما می‌توانیم آن را تا حد نیاز ساده ساده‌سازی کنیم، اما این مانع از کارکرد تکامل نمی‌شود.»

دستبند ژنتیکی

تکامل یک شمشیر دو لبه است.

شما اصول اولیه را می دانید. ژن ها به طور تصادفی جهش می یابند. اغلب اوقات آنها تأثیر آشکاری ندارند. در برخی موارد وحشتناک، جهش ها فرزندان را می کشند یا باعث بیماری می شوند و خطوط ژنتیکی بعدی را تحت تأثیر قرار می دهند.

اما به ندرت، جهش‌ها به لطف انتخاب مثبت، قدرت فوق‌العاده‌ای را در اختیار میزبان قرار می‌دهند، که آمادگی تکاملی را تقویت می‌کند و به حیوان شانس بیشتری برای انتقال ژن‌هایش می‌دهد. به عنوان مثال می توان به ماهی مرکب هایی اشاره کرد که در حال تکامل پوست تغییر رنگ هستند که آنها را از شکارچیان پنهان می کند یا در انسان، رنگدانه پوستی که با نور خورشید سازگار می شود، همانطور که در سراسر جهان پخش می شویم.

همه ژن ها برابر نیستند. برخی از آنها که "ژن های ضروری" نامیده می شوند، برای بقا حیاتی هستند. این ژن ها جهش می یابند اما با سرعت بسیار پایین. تغییرات بسیار خطرناک هستند و به طور بالقوه گونه ای را به سمت انقراض سوق می دهند. به این نوع ژن ها به عنوان پایه و اساس یک خانه فکر کنید – دست زدن به آنها در طول بازسازی می تواند باعث فروریختن کل ساختار شود.

سایر ژن ها به مراتب انعطاف پذیرتر هستند.

گرفتن مایکوپلاسما مایکوئیدها، نوعی باکتری که اغلب در روده بزها قرار می گیرد. در طی هزاران سال، حشرات یک رابطه همزیستی با میزبان خود ایجاد کردند، و بسیاری از ژن ها را به طور طبیعی از دست دادند، زیرا آنها به طور فزاینده ای برای تغذیه به میزبان خود متکی بودند، در حالی که ژن ها را برای بقا و تولید مثل حفظ کردند. تنها با 901 ژن، M. mycoides یک باکتری ژنتیکی کوچک است.

در سال 2016، دانشمندان مؤسسه J. Craig Venter ژنوم آن را بیشتر خرد کردند و یک موجود زنده با تنها 493 ژن ایجاد کردند. سلول حاصل که JCVI-syn3B نامیده می شود، ساده ترین ارگانیسم مستقلی است که تاکنون سیاره زمین را به ارمغان آورده است.

لنون پس از اطلاع از JCVI-syn3B در یک کنفرانس، درگیر شد.

او گفت: «من از ... تشابهات تلاش برای فهمیدن چیزی از ساده ترین مبنای آن شگفت زده شدم. اما "اگر ارگانیسمی بسازید که بتواند تولید مثل کند، اما سپس به او اجازه دهید تا نیروی تکامل را تجربه کند ... و جهش ها و آسیب هایی که قرار است ایجاد شوند، چگونه با آن مقابله می کند؟"

مبارزه به ویژه برای JCVI-syn3B سخت است. از آنجایی که ژنوم آن به حداقل رسیده است، فضای کمی برای جهش وجود دارد. هنگامی که هر ژن برای بقا حیاتی است، تکامل رولت روسی است - هر تغییر حرف ژنتیکی شانس انقراض را افزایش می دهد.

شانس بدتر می شود. JCVI-syn3B همچنین فاقد ژن های محافظی است که به طور معمول از سلول ها در برابر جهش، سرطان و مرگ محافظت می کند.

لنون گفت: ما وارد مطالعه شدیم و فکر کردیم که ارگانیسم به سادگی قادر به مقابله با "جهش‌های اجتناب‌ناپذیر [که قرار است] به یکی از آن ژن‌های ضروری ضربه بزند، نخواهد بود.

یک برد مینیمالیست

با آزمایش این تئوری، تیم حداقل سلول را در برابر نسل اول Mycoplasma mycoides (JCV10syn1.0) که از آن مشتق شده بود، قرار داد. هر سویه در یک آبگوشت مغذی برای تقریباً 2,000 نسل باکتری طی 300 روز رشد کرد که معادل 40,000 سال تکامل انسان است.

این یک آزمایش بی‌رحمانه بود: بر اساس برآوردهای فعلی، یک جهش جدید می‌تواند در طول آزمایش بیش از 250 بار به هر حرف ژنتیکی ضربه بزند.

اولین نتایج شوکه کننده بود. اگرچه هر دو سویه به سرعت جهش یافتند، اما نرخ ها تفاوتی نداشتند. به عبارت دیگر، JCVI-syn3B کوچک می‌تواند به‌طور انعطاف‌پذیری ژن‌های خود را مانند پسرعموهای غیر حداقلی خود تغییر دهد، حتی اگر دومی حروف ژنتیکی بسیار بیشتری برای تحمل جهش‌های تصادفی داشته باشد. هر دو سویه باکتری از انواع مشابهی از تغییرات ژنتیکی - درج، حذف و تغییر حروف ژنتیکی - بدون هیچ مشکلی جان سالم به در بردند.

به‌ویژه جالب توجه این بود که سلول حداقل در «وزن» اولیه اجدادی (یعنی قبل از شروع سفرهای تکاملی سلول‌های باکتریایی) برای تناسب اندام تکاملی کوتاه شد.

اثرات اولیه کاهش ژنوم بسیار بزرگ بود. آنها سلول ها را بیمار کردند. تناسب اندام آنها - نرخ رشد یا توانایی رقابتی آنها - 50 درصد کاهش یافت.

2,000 نسل به سرعت به جلو، و این یک تصویر متفاوت بود. سلول‌های حداقلی برگشتند و میزان تناسب اندام مشابه پسرعموهای غیر حداقلی خود را به دست آوردند. با وجود داشتن ژنوم بدون استخوان، آنها دوباره با محیط اطراف خود سازگار شدند و بر کمبودهای ژنتیکی اولیه غلبه کردند.

به نظر می رسید که راه نجات اصلی سلول های حداقلی «نوآوری متابولیک» باشد. سلول‌ها به جای تطبیق دادن مواد مغذی بیشتر از آبگوشت اطراف، توانایی خود را برای سنتز تکه‌های مولکولی چربی در یک لایه محافظ بیرونی، بدون قربانی کردن مولکول‌های چربی ضروری برای بازسازی، افزایش دادند.

این بدان معنا نیست که سلول های حداقلی کاملاً سالم بودند. افزایش اندازه اغلب نشانگر تناسب تکاملی است - به این معنی که یک سلول به طور بالقوه می تواند پروتئین ها و سایر مولکول های زیستی بیشتری را برای رشد و تقسیم بیشتر در خود جای دهد. با این حال، سلول حداقل JCVI-syn3B تقریباً به همان اندازه باقی ماند، در حالی که پسرعموی غیر حداقلی آن تقریباً دو برابر شد.

تیم ایده هایی دارد که چرا ممکن است این اتفاق بیفتد.

آزمایش‌های اولیه با استفاده از CRISPR نشان می‌دهد که یک ژن به‌طور خاص ممکن است پشت قد کوچک سلولی باشد. سلول‌ها همچنین فاقد نیمی از ناقل‌های مولکولی معمولی هستند که روی غشاهایشان نقطه‌گذاری شده‌اند. مانند "دهان" کوچک، این پروتئین ها به سلول کمک می کنند تا مواد مغذی را بگیرد و جذب کند. تعداد کمتری از دهان های مولکولی سلول ها را به خورنده های حساس تبدیل کردند که به نوبه خود می توانست به رشد آنها آسیب برساند.

نظریه دیگری نشان می دهد که اندازه سلول برای تناسب اندام تکاملی مهم نیست. اندازه یک سلول ممکن است فقط محصول جانبی تناسب یک ویژگی ژنتیکی دیگر باشد، مثلاً سرعت تکثیر DNA آن.

پیشرفت‌های اخیر در زیست‌شناسی مصنوعی بر جادوگری فناوری متمرکز شده است - مانند ساختن ژنوم برای حداقل موجودات زنده یا قرار دادن مدارهای ژنتیکی در میزبان‌های باکتریایی. اما پاسخ به سوالاتی از این دست این است که چرا استفاده از زیست شناسی مصنوعی برای مطالعه تکامل ممکن است بازی را تغییر دهد.

نویسندگان توضیح دادند که با ترکیب زیست‌شناسی مصنوعی با تکامل، می‌توانیم نحوه عملکرد ژن‌ها و شبکه‌های آنها را بهتر درک کنیم. در نهایت، ممکن است بتوان سیستم‌های زندگی مصنوعی پیچیده‌تر را به روش‌های پایدار طراحی و بهینه کرد.

تصویر های اعتباری: تام دیرینک و مارک الیسمن / مرکز ملی تحقیقات تصویربرداری و میکروسکوپی در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://singularityhub.com/2023/07/07/cells-stripped-of-nearly-all-their-genes-still-thrive-under-evolution/