Még az apró genommal rendelkező szintetikus életformák is fejlődhetnek | Quanta Magazin

Hét évvel ezelőtt a kutatók kimutatták, hogy a sejteket a legalacsonyabb alapjaikig lecsupaszíthatják, létrehozva egy olyan életformát a legkisebb genommal, amely még lehetővé tette a növekedést és osztódást a laboratóriumban. Ám a genetikai terhelés felét leadva ez a „minimális” sejt elveszítette a természetes élet évmilliárdok alatt kialakult szilárdságát és alkalmazkodóképességét is. Emiatt a biológusok azon töprengtek, vajon a csökkenés egyirányú út lehetett-e: a sejtek lényegi részükre való lemetszése során a sejteket képtelenné tették-e fejlődni, mert nem tudták túlélni még egy gén változását sem?

Most bizonyítékunk van arra, hogy a bolygó egyik leggyengébb, legegyszerűbb önreprodukáló organizmusa is képes alkalmazkodni. Mindössze 300 napos evolúció során a laboratóriumban, ami 40,000 XNUMX emberi évnek felel meg, a minimális sejtek visszanyerték mindazt a fittségüket, amit feláldoztak – mondta az Indiana Egyetem csapata. a közelmúltban számolt be a folyóiratban Természet. A kutatók azt találták, hogy a sejtek ugyanúgy reagáltak a szelekciós nyomásra, mint az apró baktériumokra, amelyekből származtak. A San Diego-i Kaliforniai Egyetem második kutatócsoportja önállóan hasonló következtetésre jutott a publikálásra elfogadott munkája során.

„Kiderült, hogy az élet, még az olyan egyszerű, nyüzsgő élet is, mint egy minimális sejt, sokkal robusztusabb, mint gondoltuk” – mondta. Kate Adamala, a Minnesota Egyetem biokémikusa és adjunktusa, aki egyik tanulmányban sem vett részt. – Kövekkel dobálhatod meg, és akkor is túléli. Még egy olyan genomban is, ahol minden egyes gén egy célt szolgál, és egy változás látszólag káros lenne, az evolúció adaptívan formálja meg az organizmusokat.

„Ez egy lenyűgöző eredmény” – mondta Roseanna Zia, a Missouri Egyetem fizikusa, akinek kutatása egy minimális sejt fizikán alapuló modelljének megalkotása volt, és aki nem vett részt a vizsgálatban. Az új munka kimutatta, hogy a minimális sejtek még tartalék genomforrások nélkül is növelhetik alkalmasságukat az alapvető gének véletlenszerű megváltoztatásával.

Az új evolúciós kísérletek kezdenek betekintést nyújtani abba, hogyan fejlődhetnek ki a legkisebb, legegyszerűbb organizmusok – és hogyan egyesítik az evolúció elvei az élet minden formáját, még a laboratóriumokban kifejlesztett genetikai újdonságokat is. „Egyre gyakrabban látunk bizonyítékot arra, hogy ez a [minimális sejt] egy olyan organizmus, amely nem valami bizarr, és ellentétben a Föld többi életével” – mondta John Glass, a kutatás egyik szerzője. Természet tanulmány, valamint a kaliforniai J. Craig Venter Institute (JCVI) szintetikus biológiai csoportjának vezetője, amely először tervezte meg a minimális sejtet.

Mi van, ha "elengedjük"?

Ahogy a 19. és 20. századi fizikusok a hidrogént, az összes atom közül a legegyszerűbbet használták az anyaggal kapcsolatos alapvető felfedezésekhez, a szintetikus biológusok minimális sejteket fejlesztettek ki az élet alapelveinek tanulmányozására. Ez a cél 2016-ban valósult meg, amikor Glass és kollégái minimális sejtet termelt, JCVI-syn3.0. Utána mintázták Mycoplasma mycoides, egy kecskében élő parazita baktérium, amely már nagyon kis genommal is boldogul. 2010-ben a csapat megtervezte a JCVI-syn1.0-t, a természetes baktériumsejt szintetikus változatát. Útmutatóként felhasználva összeállítottak egy listát azokról a génekről, amelyekről ismert, hogy nélkülözhetetlenek, összeállították őket egy élesztősejtben, majd az új genomot átvitték egy közeli rokon baktériumsejtbe, amelyből kiürült az eredeti DNS.

Két évvel később egy New England-i konferencián Jay Lennon, az Indiana University Bloomington evolúciós biológusa meghallgatott egy előadást Clyde Hutchison, a JCVI emeritus professzora, aki a minimális cellát tervező csapatot vezette. Később Lennon megkérdezte tőle: "Mi történik, ha elengeded ezt a szervezetet?" Vagyis mi történne a minimális sejtekkel, ha természetes szelekciós nyomásnak lennének kitéve, mint a vadon élő baktériumok?

Lennon, mint evolúcióbiológus számára a kérdés nyilvánvaló volt. De miután ő és Hutchison néhány percig töprengtek a dolgon, nyilvánvalóvá vált, hogy a válasz nem az.

A minimálsejt „az élet egy fajtája – ez egy mesterséges élettípus, de mégis csendélet” – mondta Lennon, mert megfelel az élet legalapvetőbb definíciójának, mint valami szaporodni és növekedni képes. Éppen ezért úgy kell reagálnia az evolúciós nyomásra, mint a gorilláknak, a békáknak, a gombáknak és minden más élőlénynek. De az átfogó hipotézis az volt, hogy az áramvonalas genom „megbéníthatja ennek a szervezetnek az adaptív fejlődési képességét” – mondta Lennon.

Senkinek sem volt fogalma arról, hogy valójában mi fog történni, mert a kutatók általában nagy gondot fordítottak arra, hogy minimális sejtek ne fejlődjenek ki. Amikor a JCVI kiosztja a sejtmintákat a jelenleg velük dolgozó körülbelül 70 laboratórium bármelyikébe, akkor azokat érintetlen állapotban szállítják le, és mínusz 80 Celsius fokon lefagyasztják. Amikor kiveszed őket, olyan, mintha az első napjuk lenne a Földön – mondta Lennon: „Ezek vadonatúj sejtek, amelyek még egy napot sem láttak evolúcióban.”

Nem sokkal találkozásuk után Hutchison felvette Lennont Glass-szal, aki megosztotta csapata minimális sejtjeit Lennon indianai laborjával. Aztán Lennon és Roy Moger-Reischer, akkori végzős diákja munkához látott.

Az áramvonalas cellák tesztelése

Egy kísérlettel kezdték, amelynek célja a mutációs ráta mérése volt a minimális sejtekben. A növekvő minimális sejtpopuláció egy szeletét ismételten átvitték Petri-csészékbe, ami felszabadította a sejteket a növekedésre anélkül, hogy korlátozta volna az olyan hatásokat, mint a verseny. Azt találták, hogy a minimális sejt a tervezetthez hasonló sebességgel mutált M. mycoides – ami a legmagasabb a regisztrált bakteriális mutációs ráta közül.

A két organizmus mutációi meglehetősen hasonlóak voltak, de a kutatók észrevették, hogy a minimális sejtben eltúlzott a természetes mutációs torzítás. Ban,-ben M. mycoides Egy mutáció 30-szor nagyobb valószínűséggel vált át egy A-t vagy egy T-t a genetikai kódban G-re vagy C-re, mint fordítva. A minimális cellában 100-szor nagyobb volt a valószínűsége. A valószínű magyarázat az, hogy néhány, a minimalizálási folyamat során eltávolított gének általában megakadályozzák ezt a mutációt.

A kísérletek második sorozatában a kutatók ahelyett, hogy egy kis sejtcsoportot hoztak volna át, sűrű sejtpopulációkat vittek át 300 napon és 2,000 generáción keresztül. Ez lehetővé tette a verseny és a természetes szelekció fokozódását, elősegítve a jótékony mutációkat és a genetikai változatok megjelenését, amelyek végül az összes sejtben kötöttek ki.

A sejtek alkalmasságának mérésére 65-130 generációnként kiszámították a maximális növekedési sebességüket. Minél gyorsabban nőttek a sejtek, annál több leánysejtet termeltek a következő generáció számára. A kifejlődött és a nem fejlődött minimális sejtek alkalmasságának összehasonlítására a kutatók versenyre keltették őket az ősi baktériumokkal. Megmérték a sejtek mennyiségét a kísérlet elején és 24 óra elteltével.

Kiszámították, hogy az eredeti minimális sejt elvesztette relatív alkalmasságának 53%-át a nem lényeges génjeivel együtt. A minimalizálás „megbetegítette a sejtet” – mondta Lennon. Mégis a kísérletek végére a minimális sejtek visszafejlődtek az erőnlétükből. Lábujjhegyre léphettek az ősi baktériumok ellen.

– Ez feldobta az agyam – mondta Anthony Vecchiarelli, a Michigani Egyetem mikrobiológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban. "Azt hinné az ember, hogy ha csak esszenciális génjei vannak, akkor most valóban korlátozta az evolúció mennyiségét, amely… pozitív irányba haladhat."

A természetes szelekció ereje azonban egyértelmű volt: gyorsan optimalizálta a fittséget még a legegyszerűbb autonóm szervezetben is, amely alig vagy egyáltalán nem volt rugalmas a mutációhoz. Amikor Lennon és Moger-Reischer alkalmazkodott az élőlények relatív alkalmasságához, azt találták, hogy a minimális sejtek 39%-kal gyorsabban fejlődnek, mint a szintetikus sejtek. M. mycoides baktériumok, amelyekből származtak.

A félelem-kapzsiság kompromisszuma

A tanulmány „hihetetlenül elgondolkodtató” első lépés volt, mondta Vecchiarelli. Bizonytalan, mi történne, ha a sejtek továbbfejlődnének: vajon visszanyernék-e néhány gént vagy komplexitást, amelyet a minimalizálási folyamat során elveszítettek? Hiszen maga a minimális cella még mindig rejtély. A túléléshez nélkülözhetetlen gének közül körülbelül 80-nak nincs ismert funkciója.

Az eredmények azt a kérdést is felvetik, hogy mely géneknek kell a minimális sejtben maradniuk a természetes szelekció és az evolúció folytatásához.

2016 óta a JCVI csapata hozzáadott néhány nem esszenciális gént, hogy segítse a minimális sejtvonalak természetes sejtekhez hasonló növekedését és osztódását. Mielőtt ezt megtették volna, a JCVI-syn3.0 furcsa formákra nőtt és osztódott, ezt a jelenséget Glass és csapata vizsgálja, hogy kiderüljön, a minimális sejtjeik osztódnak-e úgy, ahogyan az őssejtek.

A kutatók azt találták, hogy a kísérleteikben a természetes szelekció által kedvelt jótékony mutációk többsége esszenciális génekben volt. De egy kritikus mutáció egy nem esszenciális génben, az úgynevezett ftsZ, amely egy sejtosztódást szabályozó fehérjét kódol. Amikor bevált M. mycoides, a baktérium 80%-kal nőtt nagyobbra. Érdekes módon ugyanaz a mutáció a minimális sejtben nem növelte a méretét. Ez azt mutatja, hogy a mutációknak a sejtkontextustól függően különböző funkciói lehetnek, mondta Lennon.

egy kiegészítő tanulmány, amelyet a iScience által vezetett csoport, de még nem tették közzé Bernhard Palsson a San Diego-i Kaliforniai Egyetemen hasonló eredményekről számoltak be ugyanazon minimális sejt egy változatán végzett kísérletekből. Nem találtak egy ftsZ A kifejlődött minimális sejtjeikben mutációt találtak, de hasonló mutációkat találtak más, sejtosztódást szabályozó génekben is, hangsúlyozva, hogy többféle módon lehet biológiai eredményt elérni – mondta Palsson.

Nem a sejtméretet vizsgálták, de azt ellenőrizték, hogy mely gének expresszálódnak az evolúciós epizód előtt, alatt és után. Megfigyelték a „félelem-mohóság kompromisszumot”, a természetes baktériumoknál is megfigyelhető tendenciát, hogy mutációkat fejlesztenek ki a génekben, amelyek elősegítik a növekedést, nem pedig olyan mutációkat, amelyek több DNS-javító fehérjét termelnének a hibák kijavításához.

Itt látható, hogy „a mutációk általában azokat a sejtfolyamatokat tükrözik, amelyek egy funkció javításához szükségesek” – mondta Palsson.

Annak bemutatása, hogy a minimális sejt természetesebb genommal rendelkező sejtekhez hasonlóan fejlődhet, fontos volt, mert igazolta, hogy „milyen jól reprezentálja általában az életet” – mondta Zia. Sok kutató számára a minimális sejt lényege, hogy kritikusan hasznos útmutatóként szolgáljon a bonyolultabb természetes sejtek és az általuk követett szabályok megértéséhez.

Más tanulmányok is kezdik azt vizsgálni, hogy a minimális sejtek hogyan reagálnak a természetes nyomásra. Egy csoport jelentkezett iScience 2021-ben a minimális sejtek gyorsan képesek rezisztenciát kialakítani különböző antibiotikumokkal szemben, akárcsak a baktériumok.

Annak ismerete, hogy mely gének nagyobb valószínűséggel mutálódnak és vezetnek hasznos adaptációkhoz, egy nap segíthet a kutatóknak olyan gyógyszerek kidolgozásában, amelyek idővel jobbá teszik a szervezetben végzett tevékenységüket. Az evolúciós biológusoknak és a szintetikus biológusoknak együtt kell dolgozniuk ahhoz, hogy robusztus szintetikus életformákat építsenek fel, amelyek nagyon eltérő képességekkel rendelkeznek, „mert bármennyire is tervezik, az még mindig biológia, és a biológia fejlődik” – mondta Adamala.