Zelfs synthetische levensvormen met een klein genoom kunnen evolueren | Quanta-tijdschrift

Zeven jaar geleden toonden onderzoekers aan dat ze cellen konden strippen tot hun kleinste fundamenten, waardoor een levensvorm ontstond met het kleinste genoom dat het nog mogelijk maakte om te groeien en zich te delen in het laboratorium. Maar door de helft van zijn genetische belasting af te werpen, verloor die "minimale" cel ook iets van de winterhardheid en het aanpassingsvermogen dat het natuurlijke leven in miljarden jaren heeft ontwikkeld. Dat zorgde ervoor dat biologen zich afvroegen of de reductie misschien een enkele reis was: hadden ze bij het terugsnoeien van de cellen tot hun essentie de cellen niet in staat gesteld om te evolueren omdat ze een verandering in zelfs maar één gen meer niet konden overleven?

Nu hebben we het bewijs dat zelfs een van de zwakste, eenvoudigste zelfreplicerende organismen op aarde zich kan aanpassen. Tijdens slechts 300 dagen van evolutie in het laboratorium, het generatie-equivalent van 40,000 menselijke jaren, herwonnen miezerige minimale cellen alle conditie die ze hadden opgeofferd, een team van de Universiteit van Indiana meldde onlangs in het tijdschrift NATUUR. De onderzoekers ontdekten dat de cellen ongeveer even goed reageerden op selectiedruk als de kleine bacteriën waarvan ze waren afgeleid. Een tweede onderzoeksgroep aan de Universiteit van Californië in San Diego kwam onafhankelijk tot een vergelijkbare conclusie in werk dat voor publicatie is geaccepteerd.

"Het blijkt dat het leven, zelfs zo'n simpel slap leven als een minimale cel, veel robuuster is dan we dachten," zei Kate Adamala, een biochemicus en assistent-professor aan de Universiteit van Minnesota die bij geen van beide onderzoeken betrokken was. "Je kunt er stenen naar gooien, en het zal nog steeds overleven." Zelfs in een genoom waar elk afzonderlijk gen een doel dient, en een verandering schijnbaar nadelig zou zijn, vormt de evolutie organismen adaptief.

"Het is een verbluffende prestatie", zei hij Roseanna Zia, een natuurkundige aan de Universiteit van Missouri wiens onderzoek gericht is op het bouwen van een op fysica gebaseerd model van een minimale cel en die niet betrokken was bij het onderzoek. Het nieuwe werk toonde aan dat zelfs zonder enige genoombronnen te sparen, zei ze, de minimale cellen hun fitheid konden verbeteren met willekeurige veranderingen in essentiële genen.

De nieuwe evolutie-experimenten beginnen inzicht te geven in hoe de kleinste, eenvoudigste organismen zouden kunnen evolueren - en hoe principes van evolutie alle levensvormen verenigen, zelfs genetische nieuwigheden die in laboratoria zijn ontwikkeld. "We zien steeds meer bewijs dat deze [minimale cel] een organisme is dat niet iets bizar is en anders dan de rest van het leven op aarde", zegt John Glass, een auteur van de NATUUR studie en de leider van de synthetische biologiegroep aan het J. Craig Venter Institute (JCVI) in Californië die als eerste de minimale cel ontwikkelde.

Wat als we het 'loslaten'?

Net zoals natuurkundigen in de 19e en 20e eeuw waterstof, het eenvoudigste van alle atomen, gebruikten om baanbrekende ontdekkingen over materie te doen, hebben synthetische biologen minimale cellen ontwikkeld om de basisprincipes van het leven te bestuderen. Dat doel werd in 2016 gerealiseerd toen Glass en zijn collega's produceerde een minimale cel, JCVI-syn3.0. Ze hebben het daarna gemodelleerd Mycoplasma mycoides, een in geiten levende parasitaire bacterie die al rondkomt met een heel klein genoom. In 2010 had het team JCVI-syn1.0 ontwikkeld, een synthetische versie van de natuurlijke bacteriecel. Ze gebruikten het als leidraad en stelden een lijst op van genen waarvan bekend was dat ze essentieel waren, verzamelden ze in een gistcel en brachten dat nieuwe genoom vervolgens over in een nauw verwante bacteriecel die ontdaan was van zijn oorspronkelijke DNA.

Twee jaar later, op een conferentie in New England, Jay Lennon, een evolutiebioloog aan de Indiana University Bloomington, luisterde naar een toespraak van Clyde Hutchison, een emeritus hoogleraar bij JCVI die het team had geleid dat de minimale cel bouwde. Daarna vroeg Lennon hem: "Wat gebeurt er als je dit organisme loslaat?" Dat wil zeggen, wat zou er gebeuren met de minimale cellen als ze zouden worden onderworpen aan natuurlijke selectiedruk zoals bacteriën in het wild?

Voor Lennon als evolutiebioloog lag de vraag voor de hand. Maar nadat hij en Hutchison er allebei een paar minuten over hadden nagedacht, werd duidelijk dat het antwoord dat niet was.

De minimale cel "is een soort leven - het is een kunstmatig soort leven, maar het is stilleven", zei Lennon, omdat het voldoet aan de meest basale definitie van leven als iets dat in staat is zich voort te planten en te groeien. Het zou daarom net zo moeten reageren op evolutionaire druk als gorilla's, kikkers, schimmels en alle andere organismen. Maar de overkoepelende hypothese was dat het gestroomlijnde genoom "het vermogen van dit organisme om adaptief te evolueren zou kunnen verlammen", zei Lennon.

Niemand had echter een idee wat er werkelijk zou gebeuren, omdat onderzoekers over het algemeen grote zorg hebben besteed aan het voorkomen dat minimale cellen evolueren. Wanneer monsters van de cellen door JCVI worden gedistribueerd naar een van de ongeveer 70 laboratoria die er nu mee werken, worden ze onbeschadigd afgeleverd en ingevroren bij min 80 graden Celsius. Als je ze eruit haalt, is het alsof ze hun eerste dag op aarde zijn, zei Lennon: "Dit zijn gloednieuwe cellen die nog nooit een dag van evolutie hebben meegemaakt."

Kort na hun ontmoeting bracht Hutchison Lennon in contact met Glass, die monsters van de minimale cellen van zijn team deelde met het laboratorium van Lennon in Indiana. Toen gingen Lennon en Roy Moger-Reischer, zijn toenmalige promovendus, aan het werk.

De gestroomlijnde cellen testen

Ze begonnen met een experiment gericht op het meten van mutatiesnelheden in de minimale cellen. Ze brachten herhaaldelijk een stukje van de groeiende minimale celpopulatie over in petrischalen, waardoor de cellen konden groeien zonder invloeden zoals concurrentie te beperken. Ze ontdekten dat de minimale cel muteerde met een snelheid die vergelijkbaar was met die van de gemanipuleerde M. mycoides - wat de hoogste is van alle geregistreerde bacteriële mutatiesnelheden.

De mutaties in de twee organismen leken redelijk op elkaar, maar de onderzoekers merkten op dat een natuurlijke mutatiebias overdreven was in de minimale cel. In de M. mycoides cellen, had een mutatie 30 keer meer kans om een ​​A of een T in de genetische code te verwisselen voor een G of een C dan andersom. In de minimale cel was de kans 100 keer groter. De waarschijnlijke verklaring is dat sommige genen die tijdens het minimalisatieproces zijn verwijderd, normaal gesproken die mutatie voorkomen.

In een tweede reeks experimenten brachten de onderzoekers, in plaats van een kleine groep cellen over te brengen, dichte celpopulaties over gedurende 300 dagen en 2,000 generaties. Dat zorgde voor meer concurrentie en natuurlijke selectie, waardoor gunstige mutaties en de opkomst van genetische varianten werden bevorderd die uiteindelijk in alle cellen terechtkwamen.

Om de fitheid van de cellen te meten, berekenden ze hun maximale groeisnelheid elke 65 tot 130 generaties. Hoe sneller de cellen groeiden, hoe meer dochtercellen ze produceerden voor de volgende generatie. Om de fitheid van geëvolueerde en niet-geëvolueerde minimale cellen te vergelijken, lieten de onderzoekers ze concurreren met de voorouderlijke bacteriën. Ze maten hoe overvloedig de cellen waren aan het begin van het experiment en na 24 uur.

Ze berekenden dat de oorspronkelijke minimale cel 53% van zijn relatieve fitheid had verloren, samen met zijn niet-essentiële genen. De minimalisatie had "de cel ziek gemaakt", zei Lennon. Maar tegen het einde van de experimenten hadden de minimale cellen al die conditie terug ontwikkeld. Ze konden teen-tot-teen strijden tegen de voorouderlijke bacteriën.

"Dat verbaasde me," zei Antonius Vecchiarelli, een microbioloog aan de Universiteit van Michigan die niet betrokken was bij het onderzoek. "Je zou denken dat als je alleen essentiële genen hebt, je nu echt de hoeveelheid evolutie hebt beperkt die ... in de positieve richting kan gaan."

Toch was de kracht van natuurlijke selectie duidelijk: het optimaliseerde snel de fitheid in zelfs het eenvoudigste autonome organisme, dat weinig tot geen flexibiliteit had voor mutatie. Toen Lennon en Moger-Reischer zich aanpasten aan de relatieve fitheid van de organismen, ontdekten ze dat de minimale cellen 39% sneller evolueerden dan de synthetische M. mycoides bacteriën waarvan ze zijn afgeleid.

De wisselwerking tussen angst en hebzucht

De studie was een "ongelooflijk tot nadenken stemmende" eerste stap, zei Vecchiarelli. Het is onzeker wat er zou gebeuren als de cellen zouden blijven evolueren: zouden ze een deel van de genen of complexiteit terugkrijgen die ze tijdens het minimaliseringsproces verloren hebben? De minimale cel zelf is immers nog een beetje een mysterie. Ongeveer 80 van de genen die essentieel zijn voor zijn overleving hebben geen bekende functie.

De bevindingen roepen ook vragen op over welke genen in de minimale cel moeten blijven om natuurlijke selectie en evolutie door te laten gaan.

Sinds 2016 heeft het JCVI-team enkele niet-essentiële genen toegevoegd om de minimale cellijnen te helpen groeien en meer te delen zoals natuurlijke cellen. Voordat ze dat deden, groeide JCVI-syn3.0 en verdeelde het zich in rare vormen, een fenomeen dat Glass en zijn team onderzoeken om te zien of hun minimale cellen zich delen zoals oercellen dat deden.

De onderzoekers ontdekten dat de meeste gunstige mutaties die door natuurlijke selectie in hun experimenten werden begunstigd, in essentiële genen zaten. Maar één kritieke mutatie zat in een niet-essentieel gen genaamd ftsZ, dat codeert voor een eiwit dat de celdeling reguleert. Toen het muteerde M. mycoides, werd de bacterie 80% groter. Vreemd genoeg nam dezelfde mutatie in de minimale cel niet toe. Dat laat zien hoe mutaties verschillende functies kunnen hebben, afhankelijk van de cellulaire context, zei Lennon.

In een aanvullende studie, die is geaccepteerd door iWetenschap maar nog niet gepubliceerd, een groep onder leiding van Bernard Palsson aan de Universiteit van Californië rapporteerde San Diego vergelijkbare resultaten van experimenten met een variant van dezelfde minimale cel. Ze vonden geen ftsZ mutatie in hun geëvolueerde minimale cellen, maar ze vonden vergelijkbare mutaties in andere genen die de celdeling regelen, wat benadrukt dat er meerdere manieren zijn om een ​​biologisch resultaat te bereiken, zei Palsson.

Ze keken niet naar de celgrootte, maar ze controleerden welke genen vóór, tijdens en na de evolutieperiode tot expressie kwamen. Ze observeerden een 'angst-hebzucht-afweging', een neiging die ook wordt waargenomen bij natuurlijke bacteriën om mutaties in genen te ontwikkelen die hen zullen helpen groeien in plaats van mutaties die meer DNA-reparatie-eiwitten zouden produceren om de fouten te corrigeren.

Hier kun je zien dat "mutaties de neiging hebben om de cellulaire processen te weerspiegelen die nodig zijn om een ​​functie te verbeteren", zei Palsson.

Het was belangrijk om aan te tonen dat de minimale cel kan evolueren als cellen met een natuurlijker genoom, omdat het valideerde "hoe goed het het leven in het algemeen vertegenwoordigt", zei Zia. Voor veel onderzoekers is het hele punt van een minimale cel om te dienen als een kritisch bruikbare gids voor het begrijpen van meer complexe natuurlijke cellen en de regels die ze volgen.

Andere studies beginnen ook te onderzoeken hoe minimale cellen reageren op natuurlijke druk. Een groep meldde zich iWetenschap in 2021 dat minimale cellen snel resistentie kunnen ontwikkelen tegen verschillende antibiotica, net als bacteriën.

Weten welke genen meer geneigd zijn te muteren en tot nuttige aanpassingen leiden, zou onderzoekers op een dag kunnen helpen bij het ontwerpen van medicijnen die na verloop van tijd beter worden in wat ze in het lichaam doen. Om robuuste synthetische levensvormen te bouwen die heel verschillende capaciteiten hebben, moeten evolutiebiologen en synthetisch biologen samenwerken, "want hoeveel je het ook construeert, het blijft biologie en biologie evolueert", zei Adamala.