Selv syntetiske livsformer med et lite genom kan utvikle seg | Quanta Magazine

For syv år siden viste forskere at de kunne strippe celler ned til sine mest grunnleggende elementer, og skape en livsform med det minste genomet som fortsatt tillot det å vokse og dele seg i laboratoriet. Men ved å miste halvparten av sin genetiske belastning, mistet den "minimale" cellen også noe av hardførheten og tilpasningsevnen som naturlig liv utviklet seg over milliarder av år. Det fikk biologer til å lure på om reduksjonen kan ha vært en enveisreise: Ved å beskjære cellene til det mest nødvendige, hadde de forlatt cellene ute av stand til å utvikle seg fordi de ikke kunne overleve en endring i enda ett gen?

Nå har vi bevis på at selv en av de svakeste, enkleste selvreplikerende organismer på planeten kan tilpasse seg. I løpet av bare 300 dager med evolusjon i laboratoriet, generasjonsekvivalenten til 40,000 XNUMX menneskeår, gjenvunnet små minimale celler all formen de hadde ofret, et team ved Indiana University nylig rapportert i tidsskriftet Natur. Forskerne fant at cellene reagerte på seleksjonspress omtrent like godt som de bittesmå bakteriene de var avledet fra. En annen forskergruppe ved University of California, San Diego kom til en lignende konklusjon uavhengig i arbeid som har blitt akseptert for publisering.

"Det viser seg at livet, til og med et så enkelt tullete liv som en minimal celle, er mye mer robust enn vi trodde," sa Kate Adamala, en biokjemiker og assisterende professor ved University of Minnesota som ikke var involvert i noen av studiene. "Du kan kaste stein på den, og den kommer fortsatt til å overleve." Selv i et genom hvor hvert enkelt gen tjener en hensikt, og en endring tilsynelatende ville være skadelig, former evolusjonen organismer adaptivt.

"Det er en fantastisk prestasjon," sa Roseanna Zia, en fysiker ved University of Missouri hvis forskning tar sikte på å bygge en fysikkbasert modell av en minimal celle og som ikke var involvert i studien. Det nye arbeidet viste at selv uten genomressurser til overs, sa hun, kunne de minimale cellene øke kondisjonen med tilfeldige endringer i essensielle gener.

De nye evolusjonseksperimentene begynner å gi innsikt i hvordan de minste, enkleste organismer kan utvikle seg - og hvordan evolusjonsprinsipper forener alle former for liv, selv genetiske nyheter utviklet i laboratorier. "I økende grad ser vi bevis på at denne [minimalcellen] er en organisme som ikke er noe bisarr og i motsetning til resten av livet på jorden," sa John Glass, en forfatter på Natur studie og leder av gruppen for syntetisk biologi ved J. Craig Venter Institute (JCVI) i California som først konstruerte minimalcellen.

Hva om vi 'slipper det løs'?

Akkurat som fysikere fra 19- og 20-tallet brukte hydrogen, det enkleste av alle atomene, for å gjøre banebrytende oppdagelser om materie, har syntetiske biologer utviklet minimale celler for å studere livets grunnleggende prinsipper. Det målet ble realisert i 2016 da Glass og kollegene hans produserte en minimal celle, JCVI-syn3.0. De modellerte det etter Mycoplasma mycoides, en geitlevende parasittisk bakterie som allerede klarer seg med et veldig lite genom. I 2010 hadde teamet konstruert JCVI-syn1.0, en syntetisk versjon av den naturlige bakteriecellen. Ved å bruke det som en guide, utarbeidet de en liste over gener kjent for å være essensielle, samlet dem i en gjærcelle og overførte deretter det nye genomet til en nært beslektet bakteriecelle som ble tømt for sitt opprinnelige DNA.

To år senere på en konferanse i New England, Jay Lennon, en evolusjonsbiolog ved Indiana University Bloomington, lyttet til en tale fra Clyde Hutchison, en professor emeritus ved JCVI som hadde ledet teamet som utviklet minimalcellen. Etterpå spurte Lennon ham: "Hva skjer når du slipper denne organismen løs?" Det vil si, hva ville skje med de minimale cellene hvis de ble utsatt for naturlig seleksjonspress som bakterier i naturen?

For Lennon som evolusjonsbiolog var spørsmålet opplagt. Men etter at han og Hutchison begge grublet over det i noen minutter, ble det tydelig at svaret ikke var det.

Den minimale cellen "er en type liv - det er en kunstig type liv, men det er fortsatt liv," sa Lennon, fordi den oppfyller den mest grunnleggende definisjonen av liv som noe i stand til å reprodusere og vokse. Den bør derfor reagere på evolusjonært press akkurat som gorillaer, frosker, sopp og alle andre organismer gjør. Men den overordnede hypotesen var at det strømlinjeformede genomet kan "forkrøple evnen til denne organismen til adaptivt å utvikle seg," sa Lennon.

Ingen hadde en anelse om hva som egentlig ville skje, fordi forskere generelt har passet på å forhindre at minimale celler utvikler seg. Når prøver av cellene distribueres av JCVI til noen av de rundt 70 laboratoriene som nå jobber med dem, blir de levert uberørte og frosset ved minus 80 grader Celsius. Når du tar dem ut, er det som deres første dag på jorden, sa Lennon: "Dette er helt nye celler som aldri hadde sett en dag med evolusjon."

Kort tid etter møtet deres, satte Hutchison Lennon i kontakt med Glass, som delte prøver av teamets minimale celler med Lennons laboratorium i Indiana. Så kom Lennon og Roy Moger-Reischer, hans daværende hovedfagsstudent, på jobb.

Testing av strømlinjeformede celler

De begynte med et eksperiment rettet mot å måle mutasjonshastigheter i de minimale cellene. De overførte gjentatte ganger en del av den voksende minimale cellepopulasjonen til petriskåler, som frigjorde cellene til å vokse uten å begrense påvirkninger som konkurranse. De fant at den minimale cellen muterte med en hastighet som kan sammenlignes med den konstruerte M. mycoides - som er den høyeste av alle registrerte bakterielle mutasjonsrater.

Mutasjonene i de to organismene var ganske like, men forskerne la merke til at en naturlig mutasjonsskjevhet var overdrevet i den minimale cellen. I M. mycoides celler, var en mutasjon 30 ganger mer sannsynlig å bytte en A eller en T i den genetiske koden for en G eller en C enn omvendt. I den minimale cellen var det 100 ganger mer sannsynlig. Den sannsynlige forklaringen er at noen gener fjernet under minimeringsprosessen normalt forhindrer den mutasjonen.

I en andre serie eksperimenter, i stedet for å bringe over en liten gruppe celler, overførte forskerne tette populasjoner av celler i 300 dager og 2,000 generasjoner. Det tillot mer konkurranse og naturlig seleksjon, og favoriserte fordelaktige mutasjoner og fremveksten av genetiske varianter som til slutt endte opp i alle cellene.

For å måle egnetheten til cellene beregnet de deres maksimale veksthastighet hver 65. til 130. generasjon. Jo raskere cellene vokste, jo flere datterceller produserte de for neste generasjon. For å sammenligne egnetheten til utviklede og uutviklede minimalceller, fikk forskerne dem til å konkurrere mot forfedrebakteriene. De målte hvor mange cellene var ved starten av eksperimentet og etter 24 timer.

De beregnet at den opprinnelige minimale cellen hadde mistet 53% av sin relative kondisjon sammen med dens ikke-essensielle gener. Minimeringen hadde "gjort cellen syk," sa Lennon. Likevel ved slutten av eksperimentene hadde de minimale cellene utviklet all den formen tilbake. De kunne gå tå-til-tå mot forfedrebakteriene.

"Det tok meg i hodet," sa Anthony Vecchiarelli, en mikrobiolog ved University of Michigan som ikke var involvert i studien. "Du skulle tro at hvis du bare har essensielle gener, nå har du virkelig begrenset mengden av evolusjon som ... kan gå i positiv retning."

Likevel var kraften til naturlig seleksjon tydelig: Den optimaliserte raskt kondisjon i selv den enkleste autonome organismen, som hadde liten eller ingen fleksibilitet for mutasjon. Da Lennon og Moger-Reischer justerte for den relative egnetheten til organismene, fant de ut at de minimale cellene utviklet seg 39 % raskere enn de syntetiske. M. mycoides bakterier som de stammer fra.

Avveiningen mellom frykt og grådighet

Studien var et "utrolig tankevekkende" første skritt, sa Vecchiarelli. Det er usikkert hva som ville skje hvis cellene skulle fortsette å utvikle seg: Ville de få tilbake noen av genene eller kompleksiteten som de mistet i minimeringsprosessen? Selve minimalcellen er tross alt fortsatt litt av et mysterium. Omtrent 80 av genene som er essensielle for dens overlevelse har ingen kjent funksjon.

Funnene reiser også spørsmål om hvilke gener som må forbli i den minimale cellen for at naturlig utvalg og evolusjon skal fortsette.

Siden 2016 har JCVI-teamet lagt til noen ikke-essensielle gener for å hjelpe de minimale cellelinjene til å vokse og dele seg mer som naturlige celler. Før de gjorde det, vokste JCVI-syn3.0 og delte seg i rare former, et fenomen som Glass og teamet hans undersøker for å se om deres minimale celler deler seg slik primordiale celler gjorde.

Forskerne fant at de fleste av de fordelaktige mutasjonene foretrukket av naturlig utvalg i eksperimentene deres var i essensielle gener. Men en kritisk mutasjon var i et ikke-essensielt gen kalt ftsZ, som koder for et protein som regulerer celledeling. Da den muterte inn M. mycoides, vokste bakterien seg 80 % større. Merkelig nok økte ikke den samme mutasjonen i den minimale cellen størrelsen. Det viser hvordan mutasjoner kan ha forskjellige funksjoner avhengig av den cellulære konteksten, sa Lennon.

I en komplementær studie, som er akseptert av iScience men ennå ikke publisert, en gruppe ledet av Bernhard Palsson ved University of California, San Diego rapporterte lignende resultater fra eksperimenter på en variant av den samme minimale cellen. De fant ikke en ftsZ mutasjon i deres utviklet minimale celler, men de fant lignende mutasjoner i andre gener som styrer celledeling, og understreker poenget at det er flere måter å oppnå et biologisk resultat på, sa Palsson.

De så ikke på cellestørrelse, men de sjekket hvilke gener som kom til uttrykk før, under og etter evolusjonsepisoden. De observerte en "frykt-grådighet-avveining", en tendens som også sees i naturlige bakterier til å utvikle mutasjoner i gener som vil hjelpe den til å vokse i stedet for mutasjoner som ville produsere flere DNA-reparasjonsproteiner for å rette opp feilene.

Her kan du se at "mutasjoner har en tendens til å reflektere de cellulære prosessene som er nødvendige for å forbedre en funksjon," sa Palsson.

Å demonstrere at den minimale cellen kan utvikle seg som celler med et mer naturlig genom var viktig fordi det validerte "hvor godt det representerer livet generelt," sa Zia. For mange forskere er hele poenget med en minimal celle å tjene som en kritisk nyttig guide for å forstå mer komplekse naturlige celler og reglene de følger.

Andre studier begynner også å undersøke hvordan minimale celler reagerer på naturlig trykk. En gruppe rapporterte i iScience i 2021 at minimale celler raskt kan utvikle resistens mot forskjellige antibiotika, akkurat som bakterier.

Å vite hvilke gener som er mer sannsynlig å mutere og føre til nyttige tilpasninger kan en dag hjelpe forskere med å designe medisiner som blir bedre til det de gjør i kroppen over tid. For å bygge robuste syntetiske livsformer som har svært forskjellige evner, må evolusjonsbiologer og syntetiske biologer samarbeide, "fordi uansett hvor mye du konstruerer det, er det fortsatt biologi, og biologien utvikler seg," sa Adamala.