小さなゲノムを持つ合成生命体でも進化できる | クアンタマガジン

XNUMX年前、研究者らは、細胞を最低限の基礎部分まで取り除き、実験室で成長し分裂できる最小のゲ​​ノムを持つ生命体を作り出すことができることを示した。 しかし、その「最小限の」細胞は、遺伝的負荷の半分を取り除くことによって、自然の生命が数十億年かけて進化してきた耐久性と適応性の一部も失った。 そのため、生物学者らは、この減少は一方通行だったかもしれないと疑問を残した。細胞を必要最小限にまで剪定する際に、あと XNUMX 個の遺伝子が変化しても生き残ることができず、細胞が進化できない状態になってしまったのだろうか?

現在、地球上で最も弱く、最も単純な自己複製生物であっても適応できるという証拠が得られました。 インディアナ大学のチームによると、研究室でのわずか300日の進化（人間の世代では40,000万年に相当）の間に、ごくわずかな細胞が犠牲にしてきたすべてのフィットネスを回復した 最近報告 ジャーナルで 自然。 研究者らは、これらの細胞が、その由来となった微小細菌と同様に選択圧に応答することを発見した。 カリフォルニア大学サンディエゴ校の XNUMX 番目の研究グループは、出版が認められた研究において独自に同様の結論に達しました。

「生命は、最小細胞のような単純で弱々しい生命でさえ、私たちが思っていたよりもはるかに丈夫であることが判明しました」と彼は言いました ケイト・アダマラ、ミネソタ大学の生化学者兼助教授であるが、どちらの研究にも関与していなかった。 「石を投げても、まだ生き残るでしょう。」 すべての遺伝子が目的を果たし、その変化が一見有害であるように見えるゲノムにおいても、進化は生物を適応的に形作ります。

「それは驚くべき成果だ」と彼は言った ロザンナ・ジア、ミズーリ大学の物理学者で、その研究は最小細胞の物理学に基づいたモデルを構築することを目的としていましたが、研究には関与していませんでした。 新しい研究は、ゲノム資源に余裕がなくても、必須遺伝子のランダムな変化によって最小限の細胞が適応度を高めることができることを示した、と彼女は述べた。

新しい進化実験は、最も小さく、最も単純な生物がどのように進化するのか、そして進化の原理がどのようにあらゆる形態の生命体を結びつけるのか、研究室で開発された遺伝子の新規性をも含めてどのように結びつけるのかについての洞察を提供し始めている。 「この[極小細胞]が奇妙なものではなく、地球上の他の生物とは異なる生物であるという証拠がますます増えている」と、この論文の著者であるジョン・グラス氏は述べた。 自然 研究者であり、最初に最小細胞を設計したカリフォルニアの J. Craig Venter Institute (JCVI) の合成生物学グループのリーダーです。

「Let It Loose」したらどうなるでしょうか？

19 世紀と 20 世紀の物理学者が、すべての原子の中で最も単純な水素を使用して物質について独創的な発見をしたのと同じように、合成生物学者は生命の基本原理を研究するために最小限の細胞を開発してきました。 この目標は、2016 年に Glass とその同僚によって実現されました。 最小限の細胞を生成しました、JCVI-syn3.0。 彼らはそれをモデルにした マイコプラズマ・ミコイデス、ヤギに生息する寄生細菌で、非常に小さなゲノムですでに生き延びています。 2010 年に、チームは天然の細菌細胞の合成バージョンである JCVI-syn1.0 を設計しました。 それをガイドとして使用して、彼らは必須であることが知られている遺伝子のリストを作成し、それらを酵母細胞内で組み立て、次にその新しいゲノムを、元の DNA が空になった近縁の細菌細胞に移入しました。

XNUMX年後、ニューイングランドで開催されたカンファレンスで、 ジェイ・レノンインディアナ大学ブルーミントン校の進化生物学者は、教授の講演を聞いた。 クライド・ハッチソン、JCVIの名誉教授であり、最小セルを設計するチームを率いていました。 その後、レノンは彼に「この微生物を放ったらどうなるの？」と尋ねた。 つまり、最小限の細胞が野生の細菌のように自然選択の圧力にさらされたらどうなるでしょうか?

進化生物学者としてのジョン・レノンにとって、この疑問は明らかだった。 しかし、彼とハッチソンが数分間考えた後、答えはそうではないことが明らかになった。

最小細胞は「生命の一種であり、人工的な生命の一種であるが、それでも生命である」とレノンは語った。なぜなら、それは、再生し成長できるものとしての生命の最も基本的な定義を満たしているからである。 したがって、ゴリラ、カエル、菌類、その他すべての生物と同じように、進化の圧力に応答する必要があります。 しかし、最も重要な仮説は、合理化されたゲノムが「この生物の適応進化する能力を麻痺させる可能性がある」ということであった、とレノン氏は語った。

しかし、研究者たちは通常、最小限の細胞が進化しないように細心の注意を払ってきたため、実際に何が起こるのか誰もわかりませんでした。 細胞のサンプルが JCVI によって現在協力している約 70 の研究室のいずれかに配布されるとき、それらはそのままの状態で配送され、摂氏マイナス 80 度で冷凍されます。 それらを取り出すと、それは地球上の最初の日のようなものです、とレノンは言いました、「これらは進化の日を一度も経験したことのない真新しい細胞です。」

彼らの出会いの直後、ハッチソンはレノンにグラスと連絡を取り、グラスは彼のチームの最小限の細胞のサンプルをインディアナ州のレノンの研究室と共有した。 それからレノンと、当時彼の大学院生だったロイ・モーガー・ライッシャーが仕事に取り掛かった。

流線型セルのテスト

彼らは、最小限の細胞における突然変異率を測定することを目的とした実験から始めました。 彼らは、増殖する最小細胞集団の一部を繰り返しペトリ皿に移し、競合などの影響を制限することなく細胞を自由に増殖させました。 彼らは、最小細胞が遺伝子操作された細胞と同等の速度で突然変異したことを発見した。 M.ミコイデス これは、記録されている細菌の変異率の中で最も高い値です。

XNUMX つの生物の突然変異はかなり似ていましたが、研究者らは、自然な突然変異の偏りが最小細胞では誇張されていることに気づきました。 の中に M.ミコイデス 細胞では、突然変異により遺伝暗号内の A または T が G または C に切り替わる可能性が、その逆よりも 30 倍高くなります。 最小セルでは、その可能性は 100 倍でした。 考えられる説明は、最小化プロセス中に除去される一部の遺伝子が通常その突然変異を妨げるということです。

300番目の一連の実験では、研究者らは少数の細胞グループを持ち込むのではなく、高密度の細胞集団を2,000日間、XNUMX世代にわたって移植した。 これにより、より多くの競争と自然選択が起こり、有益な突然変異と、最終的にすべての細胞に行き着く遺伝子変異の出現が促進されました。

細胞の適応度を測定するために、彼らは 65 ～ 130 世代ごとの最大増殖速度を計算しました。 細胞の成長が速いほど、次世代のためにより多くの娘細胞が生成されます。 進化した極小細胞と進化していない極小細胞の適合性を比較するために、研究者らはそれらを祖先細菌と競争させた。 彼らは、実験の開始時と24時間後に細胞がどれだけ豊富にあるかを測定しました。

彼らは、元の最小細胞は非必須遺伝子とともに相対的な適応度の 53% を失ったと計算しました。 最小化により「細胞が病気になった」とレノン氏は語った。 しかし、実験の終わりまでに、最小限の細胞は進化してその適応力をすべて取り戻していました。 彼らは祖先の細菌と真っ向から対決することができた。

「それは衝撃的でした」と彼は言いました アンソニー・ヴェッキアレリ、ミシガン大学の微生物学者ですが、この研究には関与していませんでした。 「もしあなたが必須の遺伝子しか持っていないとしたら、ポジティブな方向に進むことができる進化の量は本当に制限されていると考えるでしょう。」

しかし、自然選択の力は明らかでした。自然選択の力は、突然変異に対する柔軟性がほとんどまたはまったくない最も単純な自律生物であっても、適応度を急速に最適化しました。 レノンとモーガーライッシャーが生物の相対的な適応度を調整したところ、最小細胞は合成細胞よりも 39% 速く進化したことがわかりました。 M.ミコイデス それらが由来する細菌。

恐怖と貪欲のトレードオフ

この研究は「信じられないほど考えさせられる」第一歩だったとベッキアレリ氏は語った。 細胞が進化し続けた場合に何が起こるかは不明です。細胞は、最小化プロセスで失った遺伝子や複雑性の一部を取り戻すのでしょうか? 結局のところ、最小セル自体はまだ少し謎です。 生存に必須の遺伝子のうち約 80 個は機能がわかっていません。

この発見はまた、自然選択と進化が進行するためにはどの遺伝子が最小細胞に留まる必要があるのか​​という疑問も提起する。

2016 年以来、JCVI チームは、最小限の細胞株がより自然の細胞のように成長し、分裂するのを助けるために、いくつかの非必須遺伝子を追加し直しました。 彼らがそれを行う前に、JCVI-syn3.0は成長し、奇妙な形に分裂していました。Glassと彼のチームは、その最小細胞が始原細胞と同じように分裂するかどうかを確認するために研究している現象です。

研究者らは、実験で自然選択によって好まれた有益な変異のほとんどが必須遺伝子にあることを発見した。 しかし、重大な変異の XNUMX つが、と呼ばれる非必須遺伝子にありました。 フィーツZ、細胞分裂を調節するタンパク質をコードします。 それが突然変異したとき M.ミコイデス、細菌は80％大きく成長しました。 不思議なことに、最小細胞における同じ突然変異はそのサイズを増加させませんでした。 これは、突然変異が細胞の状況に応じてどのように異なる機能を持ち得るかを示しているとレノン氏は述べた。

で 補完的な研究によって受け入れられました アイサイエンス まだ出版されていないが、以下が率いるグループ ベルンハルト・パルソン カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らは、同じ最小細胞の変異体での実験から同様の結果を報告した。 彼らは見つけられなかった フィーツZ パルソン教授は、進化した最小細胞では突然変異を発見したが、細胞分裂を支配する他の遺伝子でも同様の突然変異を発見し、生物学的結果を達成するには複数の方法があるという点を強調したと述べた。

彼らは細胞の大きさには注目しなかったが、進化のエピソードの前、最中、後にどの遺伝子が発現しているかを調べた。 彼らは、「恐怖と貪欲のトレードオフ」を観察した。これは、エラーを修正するためにより多くのDNA修復タンパク質を生成する突然変異ではなく、増殖を助ける遺伝子の突然変異を進化させるという自然の細菌にも見られる傾向である。

ここで、「突然変異は、機能を改善するために必要な細胞プロセスを反映する傾向がある」ことがわかります、とパルソン氏は言いました。

最小限の細胞が、より自然なゲノムを持つ細胞のように進化できることを実証することは、それが「生命一般をどの程度よく表現しているか」を検証するため重要だとジア氏は述べた。 多くの研究者にとって、最小細胞の要点は、より複雑な自然細胞とそれらが従う規則を理解するための非常に役立つガイドとして機能することです。

他の研究も、最小限の細胞が自然の圧力にどのように反応するかを調査し始めています。 で報告されたグループ アイサイエンス 2021年には、最小限の細胞でも細菌と同じように、さまざまな抗生物質に対する耐性を急速に進化させることができるということです。

どの遺伝子が変異しやすく、有用な適応につながる可能性が高いかを知ることは、いつか研究者が体内での働きを時間の経過とともにより良くする薬を設計するのに役立つ可能性があります。 全く異なる能力を持つ堅牢な合成生命体を構築するには、進化生物学者と合成生物学者が協力する必要がある。「どれだけ工学的に作っても、それは依然として生物学であり、生物学は進化するからです」とアダマラ氏は語った。