Anche le forme di vita sintetiche con un minuscolo genoma possono evolversi | Rivista Quanta

Sette anni fa, i ricercatori hanno dimostrato di poter ridurre le cellule ai loro più piccoli fondamenti, creando una forma di vita con il genoma più piccolo che gli consentisse ancora di crescere e dividersi in laboratorio. Ma perdendo metà del suo carico genetico, quella cellula "minima" ha perso anche parte della robustezza e dell'adattabilità che la vita naturale si è evoluta nel corso di miliardi di anni. Ciò ha lasciato i biologi a chiedersi se la riduzione potesse essere stata un viaggio di sola andata: nel ridurre le cellule all'essenziale, avevano lasciato le cellule incapaci di evolversi perché non potevano sopravvivere a un cambiamento nemmeno in un altro gene?

Ora abbiamo la prova che anche uno degli organismi autoreplicanti più deboli e semplici del pianeta può adattarsi. Durante soli 300 giorni di evoluzione in laboratorio, l'equivalente generazionale di 40,000 anni umani, cellule misere e minime hanno riguadagnato tutta la forma fisica che avevano sacrificato, un team dell'Università dell'Indiana recentemente riportato nella rivista Natura. I ricercatori hanno scoperto che le cellule rispondevano alle pressioni di selezione così come i minuscoli batteri da cui derivavano. Un secondo gruppo di ricerca dell'Università della California, a San Diego, è giunto a una conclusione simile in modo indipendente in un lavoro che è stato accettato per la pubblicazione.

"Si scopre che la vita, anche una vita così semplice e debole come una cellula minima, è molto più robusta di quanto pensassimo", ha detto Kate Adamala, un biochimico e assistente professore all'Università del Minnesota che non è stato coinvolto in nessuno dei due studi. "Puoi lanciargli dei sassi e sopravviverà comunque." Anche in un genoma in cui ogni singolo gene ha uno scopo e un cambiamento sarebbe apparentemente dannoso, l'evoluzione modella gli organismi in modo adattivo.

"E 'un risultato straordinario", ha detto Roseanna Zia, un fisico dell'Università del Missouri la cui ricerca mira a costruire un modello basato sulla fisica di una cellula minima e che non è stato coinvolto nello studio. Il nuovo lavoro ha dimostrato che anche senza risorse genomiche da risparmiare, ha affermato, le cellule minime potrebbero aumentare la loro forma fisica con cambiamenti casuali nei geni essenziali.

I nuovi esperimenti sull'evoluzione stanno iniziando a fornire informazioni su come potrebbero evolversi gli organismi più piccoli e semplici e su come i principi dell'evoluzione uniscono tutte le forme di vita, anche le novità genetiche sviluppate nei laboratori. "Sempre più, stiamo vedendo prove che questa [cellula minima] è un organismo che non è qualcosa di bizzarro e diverso dal resto della vita sulla Terra", ha detto John Glass, un autore del Natura studio e leader del gruppo di biologia sintetica presso il J. Craig Venter Institute (JCVI) in California che per primo ha progettato la cellula minima.

E se lo "lasciassimo perdere"?

Proprio come i fisici del XIX e XX secolo usavano l'idrogeno, il più semplice di tutti gli atomi, per fare scoperte seminali sulla materia, i biologi sintetici hanno sviluppato cellule minime per studiare i principi di base della vita. Questo obiettivo è stato realizzato nel 19 quando Glass e i suoi colleghi ha prodotto una cellula minima, JCVI-syn3.0. L'hanno modellato dopo Micoplasma micoide, un batterio parassita delle capre che se la cava già con un genoma molto piccolo. Nel 2010, il team aveva progettato JCVI-syn1.0, una versione sintetica della cellula batterica naturale. Usandolo come guida, hanno stilato un elenco di geni noti per essere essenziali, li hanno assemblati in una cellula di lievito e poi hanno trasferito quel nuovo genoma in una cellula batterica strettamente correlata che è stata svuotata del suo DNA originale.

Due anni dopo, a una conferenza nel New England, Jay Lennon, un biologo evoluzionista dell'Indiana University Bloomington, ha ascoltato un discorso di Clyde Hutchison, un professore emerito al JCVI che aveva guidato il team che progettava la cella minima. In seguito, Lennon gli chiese: "Cosa succede quando lasci libero questo organismo?" Cioè, cosa accadrebbe alle cellule minime se fossero sottoposte a pressioni di selezione naturale come i batteri in natura?

Per Lennon come biologo evoluzionista, la domanda era ovvia. Ma dopo che lui e Hutchison ci hanno riflettuto per alcuni minuti, è diventato evidente che la risposta non lo era.

La cellula minima "è un tipo di vita - è un tipo di vita artificiale, ma è ancora vita", ha detto Lennon, perché soddisfa la definizione più elementare di vita come qualcosa in grado di riprodursi e crescere. Dovrebbe quindi rispondere alle pressioni evolutive proprio come fanno i gorilla, le rane, i funghi e tutti gli altri organismi. Ma l'ipotesi generale era che il genoma semplificato potesse "paralizzare la capacità di questo organismo di evolversi in modo adattivo", ha detto Lennon.

Nessuno aveva idea di cosa sarebbe realmente accaduto, tuttavia, perché i ricercatori hanno generalmente prestato molta attenzione a impedire l'evoluzione delle cellule minime. Quando i campioni delle cellule vengono distribuiti da JCVI a uno dei circa 70 laboratori che ora lavorano con loro, vengono consegnati intatti e congelati a meno 80 gradi Celsius. Quando li togli, è come il loro primo giorno sulla Terra, Lennon ha detto: "Queste sono cellule nuove di zecca che non hanno mai visto un giorno di evoluzione".

Poco dopo il loro incontro, Hutchison mise Lennon in contatto con Glass, che condivise campioni delle cellule minime della sua squadra con il laboratorio di Lennon nell'Indiana. Quindi Lennon e Roy Moger-Reischer, all'epoca suo studente laureato, si misero al lavoro.

Test delle celle semplificate

Hanno iniziato con un esperimento volto a misurare i tassi di mutazione nelle cellule minime. Hanno ripetutamente trasferito un frammento della crescente popolazione cellulare minima in piastre di Petri, che hanno permesso alle cellule di crescere senza influenze vincolanti come la competizione. Hanno scoperto che la cellula minima mutava a una velocità paragonabile a quella della cellula ingegnerizzata M. mycoides - che è il più alto di qualsiasi tasso di mutazione batterica registrato.

Le mutazioni nei due organismi erano abbastanza simili, ma i ricercatori hanno notato che un pregiudizio mutazionale naturale era esagerato nella cellula minima. Nel M. mycoides cellule, una mutazione aveva 30 volte più probabilità di scambiare una A o una T nel codice genetico con una G o una C rispetto al contrario. Nella cella minima, era 100 volte più probabile. La probabile spiegazione è che alcuni geni rimossi durante il processo di minimizzazione normalmente impediscono quella mutazione.

In una seconda serie di esperimenti, invece di trasferire un piccolo gruppo di cellule, i ricercatori hanno trasferito dense popolazioni di cellule per 300 giorni e 2,000 generazioni. Ciò ha consentito una maggiore competizione e selezione naturale, favorendo mutazioni benefiche e l'emergere di varianti genetiche che alla fine sono finite in tutte le cellule.

Per misurare la forma fisica delle cellule, hanno calcolato il loro tasso di crescita massimo ogni 65-130 generazioni. Più velocemente le cellule crescevano, più cellule figlie producevano per la generazione successiva. Per confrontare l'idoneità delle cellule minime evolute e non evolute, i ricercatori le hanno fatte competere contro i batteri ancestrali. Hanno misurato l'abbondanza delle cellule all'inizio dell'esperimento e dopo 24 ore.

Hanno calcolato che la cellula minima originale aveva perso il 53% della sua forma fisica relativa insieme ai suoi geni non essenziali. La minimizzazione aveva "fatto ammalare la cellula", ha detto Lennon. Tuttavia, alla fine degli esperimenti, le cellule minime si erano evolute di nuovo in tutta quella forma fisica. Potrebbero andare in punta di piedi contro i batteri ancestrali.

"Questo mi ha fatto impazzire", ha detto Antonio Vecchiarelli, un microbiologo dell'Università del Michigan che non è stato coinvolto nello studio. "Penseresti che se hai solo geni essenziali, ora hai davvero limitato la quantità di evoluzione che... può andare nella direzione positiva".

Eppure il potere della selezione naturale era chiaro: ottimizzava rapidamente la forma fisica anche nel più semplice organismo autonomo, che aveva poca o nessuna flessibilità per la mutazione. Quando Lennon e Moger-Reischer si sono adattati alla relativa forma fisica degli organismi, hanno scoperto che le cellule minime si sono evolute il 39% più velocemente rispetto a quelle sintetiche. M. mycoides batteri da cui derivano.

Il compromesso paura-avidità

Lo studio è stato un primo passo "incredibilmente stimolante", ha detto Vecchiarelli. Non è chiaro cosa accadrebbe se le cellule continuassero a evolversi: recupererebbero alcuni dei geni o della complessità che hanno perso nel processo di minimizzazione? Dopo tutto, la stessa cella minima è ancora un po' un mistero. Circa 80 dei geni essenziali per la sua sopravvivenza non hanno alcuna funzione nota.

I risultati sollevano anche interrogativi su quali geni debbano rimanere nella cellula minima affinché la selezione naturale e l'evoluzione procedano.

Dal 2016, il team JCVI ha aggiunto alcuni geni non essenziali per aiutare le linee cellulari minime a crescere e dividersi più come le cellule naturali. Prima che lo facessero, JCVI-syn3.0 cresceva e si divideva in strane forme, un fenomeno che Glass e il suo team stanno studiando per vedere se le loro cellule minime si dividono come facevano le cellule primordiali.

I ricercatori hanno scoperto che la maggior parte delle mutazioni benefiche favorite dalla selezione naturale nei loro esperimenti erano in geni essenziali. Ma una mutazione critica era in un gene non essenziale chiamato ftsz, che codifica per una proteina che regola la divisione cellulare. Quando è mutato M. mycoides, il batterio è cresciuto dell'80% più grande. Curiosamente, la stessa mutazione nella cellula minima non ne ha aumentato le dimensioni. Ciò dimostra come le mutazioni possano avere funzioni diverse a seconda del contesto cellulare, ha detto Lennon.

In un studio complementare, che è stato accettato da iScienza ma non ancora pubblicato, un gruppo guidato da Bernardo Palsson presso l'Università della California, San Diego ha riportato risultati simili da esperimenti su una variante della stessa cellula minima. Non hanno trovato un ftsz mutazione nelle loro cellule minime evolute, ma hanno trovato mutazioni simili in altri geni che governano la divisione cellulare, sottolineando il fatto che ci sono diversi modi per ottenere un risultato biologico, ha detto Palsson.

Non hanno esaminato le dimensioni delle cellule, ma hanno controllato quali geni fossero espressi prima, durante e dopo l'episodio dell'evoluzione. Hanno osservato un "compromesso paura-avidità", una tendenza osservata anche nei batteri naturali ad evolvere mutazioni nei geni che lo aiuteranno a crescere piuttosto che mutazioni che produrrebbero più proteine ​​​​di riparazione del DNA per correggere gli errori.

Qui puoi vedere che "le mutazioni tendono a riflettere i processi cellulari necessari per migliorare una funzione", ha detto Palsson.

Dimostrare che la cellula minima può evolversi come cellule con un genoma più naturale è stato importante perché ha convalidato "quanto bene rappresenta la vita in generale", ha detto Zia. Per molti ricercatori, l'intero scopo di una cellula minima è quello di servire come guida criticamente utile per comprendere le cellule naturali più complesse e le regole che seguono.

Altri studi stanno anche iniziando a sondare come le cellule minime rispondono alle pressioni naturali. Un gruppo segnalato in iScienza nel 2021 che le cellule minime possono sviluppare rapidamente resistenza a diversi antibiotici, proprio come i batteri.

Sapere quali geni hanno maggiori probabilità di mutare e portare ad adattamenti utili potrebbe un giorno aiutare i ricercatori a progettare farmaci che migliorano nel tempo ciò che fanno nel corpo. Per costruire robuste forme di vita sintetiche che hanno abilità molto diverse, i biologi evoluzionisti e i biologi sintetici devono lavorare insieme, "perché non importa quanto lo progetti, è ancora biologia e la biologia si evolve", ha detto Adamala.