작은 게놈을 가진 합성 생명체도 진화할 수 있다 | 콴타 매거진

XNUMX년 전, 연구원들은 세포를 가장 기초적인 부분까지 벗겨내어 실험실에서 여전히 성장하고 분열할 수 있는 가장 작은 게놈을 가진 생명체를 만들 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 유전적 부담을 절반으로 줄임으로써 그 "최소한의" 세포는 또한 자연 생명이 수십억 년에 걸쳐 진화한 강인함과 적응력을 일부 잃었습니다. 이로 인해 생물학자들은 감소가 일방통행일 수 있는지 궁금해했습니다. 세포를 최소한의 필수 요소로 잘라내는 과정에서 세포가 하나 이상의 유전자가 바뀌어도 살아남을 수 없기 때문에 진화할 수 없는 상태로 남겨두었을까요?

이제 우리는 지구상에서 가장 약하고 단순한 자기 복제 유기체 중 하나라도 적응할 수 있다는 증거를 가지고 있습니다. 인류의 300년에 해당하는 실험실에서의 단 40,000일의 진화 동안, 아주 작은 세포가 그들이 희생했던 모든 적합성을 회복했다고 인디애나 대학의 팀이 밝혔습니다. 최근에보고 저널 자연. 연구원들은 세포가 파생된 작은 박테리아뿐만 아니라 선택 압력에도 반응한다는 것을 발견했습니다. 캘리포니아 대학교 샌디에이고의 두 번째 연구 그룹은 출판이 승인된 작업에서 독립적으로 유사한 결론에 도달했습니다.

"최소한의 세포와 같은 단순한 생명조차도 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 견고하다는 것이 밝혀졌습니다."라고 말했습니다. 케이트 아다말라, 어느 연구에도 관여하지 않은 미네소타 대학의 생화학자이자 조교수. "돌을 던져도 살아남을 수 있습니다." 모든 단일 유전자가 목적을 달성하고 변화가 해로운 것처럼 보이는 게놈에서도 진화는 유기체를 적응적으로 형성합니다.

"놀라운 성과"라고 말했다. 로잔나 지아, 미주리 대학의 물리학자로서 최소 세포의 물리학 기반 모델 구축을 목표로 연구에 참여하지 않았습니다. 새로운 연구는 여분의 게놈 자원이 없더라도 최소한의 세포가 필수 유전자의 무작위 변화로 적합성을 증가시킬 수 있음을 보여주었다고 그녀는 말했습니다.

새로운 진화 실험은 가장 작고 단순한 유기체가 어떻게 진화할 수 있는지에 대한 통찰력을 제공하기 시작했으며 진화의 원리가 모든 형태의 생명체, 심지어 실험실에서 개발된 유전적 신기함까지 통합하는 방법에 대한 통찰력을 제공하기 시작했습니다. "우리는 점점 더 이 [최소 세포]가 기이한 것이 아니며 지구상의 나머지 생명체와 다른 유기체라는 증거를 보고 있습니다."라고 저자인 John Glass는 말했습니다. 자연 최소 세포를 최초로 조작한 캘리포니아의 J. Craig Venter Institute(JCVI)의 합성 생물학 그룹의 리더이자 연구입니다.

우리가 '느슨하게 놔두면' 어떨까요?

19세기와 20세기 물리학자들이 모든 원자 중 가장 단순한 수소를 사용하여 물질에 대한 중요한 발견을 했듯이 합성생물학자들은 생명의 기본 원리를 연구하기 위해 최소 세포를 개발해 왔습니다. 그 목표는 Glass와 그의 동료들이 2016년에 실현했습니다. 최소한의 세포를 생산, JCVI-syn3.0. 그들은 그것을 모델로 삼았습니다. 마이코플라스마 마이코이데스, 이미 매우 작은 게놈으로 살아가는 염소에 서식하는 기생 박테리아. 2010년에 팀은 천연 박테리아 세포의 합성 버전인 JCVI-syn1.0을 설계했습니다. 그것을 지침으로 사용하여 그들은 필수적인 것으로 알려진 유전자 목록을 작성하고 효모 세포에서 조립한 다음 새로운 게놈을 원래 DNA가 비어 있는 밀접하게 관련된 박테리아 세포로 옮겼습니다.

XNUMX년 후 뉴잉글랜드에서 열린 회의에서 제이 레논인디애나 대학교 블루밍턴의 진화생물학자인 은 클라이드 허치슨, 최소 셀 엔지니어링 팀을 이끈 JCVI 명예 교수. 그 후 레논은 그에게 "이 유기체를 풀어 놓으면 어떻게 됩니까?"라고 물었습니다. 즉, 야생의 박테리아와 같은 자연 선택 압력을 받는다면 최소 세포는 어떻게 될까요?

진화생물학자인 레논에게 그 질문은 분명한 것이었다. 그러나 그와 Hutchison 둘 다 몇 분 동안 그것에 대해 숙고한 후 답이 아니라는 것이 분명해졌습니다.

최소한의 세포는 "생명의 한 유형입니다. 그것은 인공적인 유형의 생명이지만 정물입니다."라고 Lennon은 말했습니다. 왜냐하면 그것이 재생산하고 성장할 수 있는 것으로 생명의 가장 기본적인 정의를 충족시키기 때문입니다. 따라서 고릴라, 개구리, 균류 및 기타 모든 유기체와 마찬가지로 진화 압력에 반응해야 합니다. 그러나 가장 중요한 가설은 간소화된 게놈이 "이 유기체가 적응적으로 진화하는 능력을 손상시킬 수 있다"는 것이라고 레논은 말했습니다.

그러나 연구자들은 일반적으로 최소한의 세포가 진화하지 않도록 많은 주의를 기울였기 때문에 실제로 어떤 일이 일어날지 아무도 알지 못했습니다. 세포 샘플이 JCVI에 의해 현재 그들과 함께 일하고 있는 대략 70개의 실험실 중 어느 곳으로든 배포될 때, 세포 샘플은 섭씨 영하 80도에서 냉동 상태로 배송됩니다. 그것들을 꺼내면 지구에서의 첫날과 같습니다. 레논은 이렇게 말했습니다.

그들의 만남 직후 Hutchison은 Lennon을 Glass와 연결시켰고 Glass는 팀의 최소 세포 샘플을 인디애나에 있는 Lennon의 연구실과 공유했습니다. 그런 다음 당시 대학원생이었던 Lennon과 Roy Moger-Reischer가 일을 시작했습니다.

간소화된 셀 테스트

그들은 최소 세포에서 돌연변이 비율을 측정하기 위한 실험으로 시작했습니다. 그들은 성장하는 최소 세포 집단의 일부를 페트리 접시로 반복적으로 옮겼고, 경쟁과 같은 영향을 제한하지 않고 세포가 성장할 수 있도록 했습니다. 그들은 최소한의 세포가 조작된 것과 비슷한 속도로 돌연변이를 일으킨다는 것을 발견했습니다. M. 마이코이데스 — 기록된 박테리아 돌연변이율 중 가장 높은 수치입니다.

두 유기체의 돌연변이는 상당히 유사했지만 연구원들은 최소 세포에서 자연적인 돌연변이 편향이 과장되었음을 발견했습니다. 에서 M. 마이코이데스 세포에서, 돌연변이는 유전자 코드에서 A나 T를 G나 C로 전환할 가능성이 그 반대의 경우보다 30배 더 높았습니다. 최소 세포에서는 100배 더 가능성이 높았습니다. 가능한 설명은 최소화 과정에서 제거된 일부 유전자가 일반적으로 해당 돌연변이를 방지한다는 것입니다.

두 번째 일련의 실험에서 연구원들은 작은 세포 그룹을 가져오는 대신 300일 동안 2,000세대 동안 밀집된 세포 집단을 옮겼습니다. 그것은 더 많은 경쟁과 자연 선택이 일어나도록 했고, 유익한 돌연변이와 결국 모든 세포에서 끝나는 유전적 변이의 출현을 선호했습니다.

세포의 적합도를 측정하기 위해 그들은 65~130세대마다 최대 성장 속도를 계산했습니다. 세포가 더 빨리 자랄수록 다음 세대를 위해 더 많은 딸 세포를 생산했습니다. 진화된 최소 세포와 진화되지 않은 최소 세포의 적합성을 비교하기 위해 연구자들은 조상 박테리아와 경쟁하게 만들었습니다. 그들은 실험 시작과 24시간 후에 세포가 얼마나 풍부한지를 측정했습니다.

그들은 원래의 최소 세포가 비필수 유전자와 함께 상대적 적합도의 53%를 잃었다고 계산했습니다. 최소화는 "세포를 병들게 만들었다"고 레논은 말했다. 그러나 실험이 끝날 무렵 최소 세포는 모든 적합성을 다시 진화시켰습니다. 그들은 조상 박테리아에 정면으로 맞설 수 있습니다.

"그게 내 마음을 사로잡았다"고 말했다. 안소니 베키아렐리, 연구에 참여하지 않은 미시간 대학의 미생물학자. "필수 유전자만 있다면 긍정적인 방향으로 갈 수 있는 진화의 양이 정말 제한되었다고 생각할 것입니다."

그러나 자연 선택의 힘은 분명했습니다. 자연 선택은 돌연변이에 대한 유연성이 거의 또는 전혀 없는 가장 단순한 자율 유기체의 적응도를 빠르게 최적화했습니다. Lennon과 Moger-Reischer가 유기체의 상대적 적합도를 조정했을 때 최소 세포가 합성 세포보다 39% 더 빠르게 진화한다는 사실을 발견했습니다. M. 마이코이데스 그들이 유래한 박테리아.

두려움과 탐욕의 절충안

Vecchiarelli는 이 연구가 "믿을 수 없을 정도로 생각을 자극하는" 첫 번째 단계라고 말했습니다. 세포가 계속 진화한다면 어떤 일이 일어날지 불확실합니다. 최소화 과정에서 잃어버린 일부 유전자나 복잡성을 되찾을 수 있을까요? 결국, 최소 세포 자체는 여전히 약간의 미스터리입니다. 생존에 필수적인 유전자 중 약 80개는 알려진 기능이 없습니다.

이 발견은 또한 자연 선택과 진화가 진행되기 위해 최소 세포에 어떤 유전자가 남아 있어야 하는지에 대한 질문을 제기합니다.

2016년부터 JCVI 팀은 최소한의 세포주가 자연 세포처럼 성장하고 분열하도록 돕기 위해 일부 불필요한 유전자를 다시 추가했습니다. 그들이 그렇게 하기 전에 JCVI-syn3.0은 이상한 모양으로 자라면서 분열하고 있었습니다. Glass와 그의 팀은 최소한의 세포가 원시 세포가 분열하는 방식을 알아보기 위해 조사하고 있는 현상입니다.

연구원들은 그들의 실험에서 자연 선택이 선호하는 유익한 돌연변이의 대부분이 필수 유전자에 있음을 발견했습니다. 그러나 한 가지 결정적인 돌연변이는 ftsZ, 세포 분열을 조절하는 단백질을 암호화합니다. 변이되었을 때 M. 마이코이데스, 박테리아는 80% 더 커졌습니다. 흥미롭게도 최소 세포의 동일한 돌연변이는 크기가 증가하지 않았습니다. 그것은 돌연변이가 세포 상황에 따라 어떻게 다른 기능을 가질 수 있는지를 보여준다고 Lennon은 말했습니다.

안에 보완 연구에 의해 승인되었습니다. 아이사이언스 그러나 아직 게시되지 않은 그룹은 다음과 같습니다. 베른하르트 팔손 University of California, San Diego는 동일한 최소 세포의 변형에 대한 실험에서 유사한 결과를 보고했습니다. 그들은 찾지 못했습니다 ftsZ Palsson은 진화한 최소 세포에서 돌연변이를 발견했지만 세포 분열을 관장하는 다른 유전자에서 유사한 돌연변이를 발견하여 생물학적 결과를 달성하는 여러 가지 방법이 있다는 점을 강조했다고 Palsson은 말했습니다.

그들은 세포 크기를 보지 않고 진화 전, 도중, 후에 어떤 유전자가 발현되는지 확인했습니다. 그들은 오류를 수정하기 위해 더 많은 DNA 복구 단백질을 생성하는 돌연변이가 아니라 성장을 돕는 유전자의 돌연변이를 진화시키는 자연 박테리아의 경향인 "두려움과 탐욕의 절충"을 관찰했습니다.

여기에서 "돌연변이는 기능을 개선하는 데 필요한 세포 과정을 반영하는 경향이 있다"고 Palsson은 말했습니다.

Zia는 최소 세포가 더 자연적인 게놈을 가진 세포처럼 진화할 수 있다는 것을 입증하는 것이 "일반적인 생명을 얼마나 잘 나타내는지"를 검증했기 때문에 중요하다고 말했습니다. 많은 연구자들에게 최소 세포의 전체 요점은 더 복잡한 자연 세포와 그들이 따르는 규칙을 이해하는 데 매우 유용한 가이드 역할을 하는 것입니다.

다른 연구들도 최소 세포가 자연 압력에 어떻게 반응하는지 조사하기 시작했습니다. 에서 보고된 그룹 아이사이언스 2021년에는 최소 세포가 박테리아처럼 다양한 항생제에 대한 내성을 빠르게 진화시킬 수 있습니다.

어떤 유전자가 돌연변이를 일으키고 유용한 적응으로 이어질 가능성이 더 높은지 아는 것은 언젠가 연구자들이 시간이 지남에 따라 신체에서 더 잘 작동하는 약물을 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 매우 다른 능력을 가진 강력한 합성 생명체를 구축하기 위해 진화 생물학자와 합성 생물학자는 협력해야 합니다.