תאים סינתטיים שנפשטו כמעט מכל הגנים שלהם עדיין משגשגים תחת האבולוציה

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

תאים סינתטיים שנשלפו כמעט מכל הגנים שלהם עדיין משגשגים תחת אבולוציה של אינטליגנציה של PlatoBlockchain. חיפוש אנכי. איי.

החיים מוצאים דרך.

זו המסקנה של מחקר חדש ב טבע, שהעמיד תאי חיידקים סינתטיים מול כוח האבולוציה. התאים המלאכותיים, כשהם חשופים לשרטוט גנטי של השלד, התחילו ביד מאבדת להישרדות.

עם זאת הם שגשגו, והתפתחו בקצב של כמעט 40 אחוז מהר יותר מאשר עמיתיהם הלא מינימליים. במשך 2,000 דורות, התאים היעילים חזרו לכושרם האבולוציוני - היכולת לשרוד, לגדול ולהתרבות - שאבדה בתחילה לאחר הסרת חלק גדול מהגנים שלהם.

התוצאות יכולות לבשר על א הדור הבא של חיידקים סינתטיים השואבות אינסולין ותרופות מצילות חיים אחרות, מייצרות דלק ביולוגי או כימיקלים מסוכנים מתכלים - על ידי ניצול, במקום להילחם נגד, כוחה של האבולוציה.

העיקר היה נחיתה על קבוצה של גנים שעברו מוטציה שהעניקו לתא המינימלי יתרון. אותה טכניקה עשויה לשכלל עוד יותר תאים מלאכותיים על ידי הדרכה כיצד יתפתחו הדורות הבאים.

מלבד שימושים מעשיים, אנו יכולים כעת להציץ אל הברירה הטבעית עצמה.

"נראה שיש משהו בחיים שהוא באמת חזק", אמר מחבר המחקר ד"ר ג'יי לנון מאוניברסיטת אינדיאנה בלומינגטון. "אנחנו יכולים לפשט את זה רק לעיקר, אבל זה לא מונע מהאבולוציה ללכת לעבודה."

אזיקים גנטיים

האבולוציה היא חרב פיפיות.

אתה יודע את היסודות. גנים עוברים מוטציה אקראית. ברוב הפעמים אין להם השפעה ברורה. במקרים איומים מסוימים מוטציות הורגות צאצאים או גורמות למחלות ורודפות קווים גנטיים מאוחרים יותר.

אך לעתים רחוקות, מוטציות מספקות למארח כוח-על הודות לברירה חיובית, שמגבירה את הכושר האבולוציוני ונותנת לבעל החיים סיכוי גבוה יותר להעביר את הגנים שלו. דוגמאות כוללות דיונונים המפתחים עור משנה צבע שמסתיר אותם מטורפים או, אצל בני אדם, פיגמנט עור שמסתגל לשמש כשאנחנו מתפשטים על פני הגלובוס.

לא כל הגנים שווים. כמה, המכונים "גנים חיוניים", הם קריטיים להישרדות. גנים אלו עוברים מוטציה אך בקצב איטי מאוד. שינויים הם מסוכנים ביותר, ועלולים להוביל מינים לקראת הכחדה. חשבו על גנים מהסוג הזה כבסיס לבית - התעסקות בהם במהלך שיפוצים עלולה לגרום לכל המבנה להתפורר.

גנים אחרים גמישים הרבה יותר.

לקחת Mycoplasma mycoides, מעין חיידקים שמתרווחים לעתים קרובות בתוך מעיים של עיזים. במשך אלפי שנים, החרקים יצרו קשר סימביוטי עם המארחים שלהם, והשילו גנים רבים באופן טבעי כשהם הסתמכו יותר ויותר על המארחים שלהם לצורך תזונה, תוך שמירה על גנים חיוניים להישרדות ורבייה. עם 901 גנים בלבד, M. mycoides הוא חיידק קטן מבחינה גנטית.

עוד בשנת 2016, מדענים במכון ג'יי קרייג ונטר חיסקו עוד יותר את הגנום שלו, ויצרו יצור חי עם 493 גנים בלבד. התא שנוצר, המכונה JCVI-syn3B, הוא האורגניזם האוטונומי הפשוט ביותר שזכה אי פעם לחסד על כדור הארץ.

לאחר שלמד על JCVI-syn3B בכנס, לנון היה מכור.

"הייתי המום מהאנלוגיות של הניסיון להבין משהו מהבסיס הפשוט ביותר שלו", אמר. אבל "אם אתה יוצר אורגניזם שיכול להתרבות, אבל אז אתה מאפשר לו לחוות את כוח האבולוציה...ומוטציות ונזקים שעומדים להיווצר, איך הוא מתמודד עם זה?"

המאבק קשה במיוחד עבור JCVI-syn3B. מכיוון שהגנום שלו מופשט למינימום, יש מעט מקום להתנועע למוטציות. כאשר כל גן הוא קריטי להישרדות, האבולוציה היא רולטה רוסית - כל שינוי באות גנטית מגדיל את סיכויי ההכחדה.

הסיכויים הופכים עגומים עוד יותר. ל-JCVI-syn3B חסרים גם גנים מגנים שבדרך כלל מגנים על תאים מפני מוטציות, סרטן ומוות.

נכנסנו למחקר מתוך מחשבה שהאורגניזם פשוט לא יוכל להתמודד עם "המוטציות הבלתי נמנעות שהולכות לפגוע באחד מהגנים החיוניים האלה", אמר לנון.

ניצחון מינימליסטי

בבדיקת התיאוריה, הצוות העמיד את התא המינימלי מול הדור הראשון של Mycoplasma mycoides (JCV10syn1.0) שממנו הוא נגזר. כל זן גדל במרק מזין במשך כ-2,000 דורות של חיידקים במשך 300 ימים, שווה ערך ל-40,000 שנות אבולוציה אנושית.

זה היה משפט אכזרי: בהתבסס על הערכות עדכניות, מוטציה חדשה עלולה לפגוע בכל אות גנטית יותר מ-250 פעמים במהלך הבדיקה.

התוצאות הראשונות הגיעו בהלם. למרות ששני הזנים עברו מוטציה מהירה, השיעורים לא היו שונים. במילים אחרות, ה-JCVI-syn3B הקטן יכול לשנות את הגנים שלו בצורה גמישה כמו בני הדודים הלא-מינימליים שלו, למרות שלאחרונים היו הרבה יותר אותיות גנטיות כדי לסבול מוטציות אקראיות. שני זני החיידק שרדו סוגים דומים של שינויים גנטיים - הכנסתם, מחיקות והחלפת אותיות גנטיות - ללא תקלה.

מרשים במיוחד היה שהתא המינימלי הגיע לכושר אבולוציוני ב"השקילה" הראשונית (כלומר, לפני שתאי החיידק החלו במסעות האבולוציה שלהם).

"ההשפעות הראשוניות של הפחתת הגנום היו די גדולות; הם עשו את התאים חולים", אמר לנון. הכושר שלהם - קצב הצמיחה או יכולת התחרות שלהם - ירד ב-50 אחוז.

הרץ קדימה 2,000 דורות, וזו הייתה תמונה אחרת. התאים המינימליים חזרו לאחור, והחזירו לעצמם קצב כושר דומה לבני דודיהם הלא מינימליים. למרות שהם מכילים גנום חשוף, הם הסתגלו מחדש לסביבתם והתגברו על חסרונות גנטיים ראשוניים.

נראה היה שחבל ההצלה העיקרי של התאים המינימליים הוא "חדשנות מטבולית". במקום להתאים את עצמם לגזול יותר חומרים מזינים מהמרק שמסביב, התאים הגבירו את יכולתם לסנתז פיסות שומן מולקולריות לשכבת הגנה חיצונית, מבלי להקריב את מולקולות השומנים החיוניות להתחדשות.

זה לא אומר שהתאים המינימליים היו לגמרי בסדר. התרחבות בגודל היא לעתים קרובות סמן של כושר אבולוציוני - זה אומר שתא יכול להכיל יותר חלבונים וביו-מולקולות אחרות להמשך צמיחה וחלוקה. עם זאת, התא המינימלי JCVI-syn3B נשאר בערך באותו גודל, בעוד בן דודו הלא מינימלי כמעט הכפיל את משקלו.

לצוות יש רעיונות למה זה קרה.

בדיקות ראשוניות באמצעות CRISPR מצביעות על כך שגן אחד במיוחד עשוי להיות מאחורי קומתו הקטנונית של התא המינימלי. לתאים גם חסרו מחצית מהטרנספורטרים המולקולריים הרגילים המנוקדים על הממברנות שלהם. כמו "פיות" זעירים, חלבונים אלה עוזרים לתא לתפוס ולספוג חומרים מזינים. פחות פיות מולקולריים הפכו את התאים לאוכלים בררנים, מה שיכול בתורו היה לפגוע בצמיחתם.

תיאוריה אחרת טוענת שגודל התא אינו משנה לכושר האבולוציוני. גודל תא עשוי להיות רק תוצר לוואי של כושר גופני של תכונה גנטית אחרת כמו, למשל, כמה מהר ה-DNA שלו משתכפל.

ההתקדמות האחרונה בביולוגיה סינתטית התמקדה בקוסמות טכנולוגית - כמו בניית גנומים עבור אורגניזמים מינימליים או החדרת מעגלים גנטיים למארחים חיידקיים. אבל תשובה לשאלות כמו זו היא הסיבה ששימוש בביולוגיה סינתטית כדי לחקור אבולוציה עשוי להיות משנה משחק.

על ידי שילוב ביולוגיה סינתטית עם אבולוציה, נוכל להבין טוב יותר כיצד גנים ורשתותיהם פועלים, הסבירו המחברים. בסופו של דבר, ייתכן שניתן יהיה לתכנן ולייעל מערכות חיים סינתטיות מתוחכמות יותר ויותר בדרכים בנות קיימא.

תמונת אשראי: טום דירינק ומארק אליסמן / המרכז הלאומי לחקר הדמיה ומיקרוסקופיה באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו