Nawet syntetyczne formy życia z małym genomem mogą ewoluować | Magazyn Quanta

Siedem lat temu naukowcy wykazali, że mogą rozebrać komórki do najgłębszych podstaw, tworząc formę życia z najmniejszym genomem, który wciąż pozwala jej rosnąć i dzielić się w laboratorium. Ale zrzucając połowę swojego ładunku genetycznego, ta „minimalna” komórka straciła również część odporności i zdolności adaptacyjnych, które naturalne życie ewoluowało przez miliardy lat. To sprawiło, że biolodzy zastanawiali się, czy redukcja mogła być podróżą w jedną stronę: czy przycinając komórki do ich podstawowych elementów, pozostawili komórki niezdolne do ewolucji, ponieważ nie mogły przetrwać zmiany w jeszcze jednym genie?

Teraz mamy dowód, że nawet jeden z najsłabszych, najprostszych samoreplikujących się organizmów na planecie może się przystosować. W ciągu zaledwie 300 dni ewolucji w laboratorium, pokoleniowego odpowiednika 40,000 XNUMX ludzkich lat, nędzne minimalne komórki odzyskały całą sprawność, którą poświęciły, zespół z Indiana University niedawno w dzienniku Natura. Naukowcy odkryli, że komórki reagowały na presję selekcyjną, podobnie jak małe bakterie, z których się wywodzą. Druga grupa badawcza z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego doszła niezależnie do podobnego wniosku w pracy, która została przyjęta do publikacji.

„Okazuje się, że życie, nawet tak proste, mięczakowe, jak minimalna komórka, jest znacznie bardziej wytrzymałe, niż myśleliśmy” – powiedział Kate Adamała, biochemik i adiunkt na University of Minnesota, który nie był zaangażowany w żadne z badań. „Możesz w niego rzucać kamieniami, a on i tak przeżyje”. Nawet w genomie, w którym każdy pojedynczy gen służy celowi, a zmiana pozornie byłaby szkodliwa, ewolucja kształtuje organizmy adaptacyjnie.

„To oszałamiające osiągnięcie” — powiedział Różana Zia, fizyk z University of Missouri, którego badania mają na celu zbudowanie opartego na fizyce modelu minimalnej komórki i który nie był zaangażowany w badania. Nowa praca wykazała, że ​​nawet bez żadnych zasobów genomu, powiedziała, minimalne komórki mogą zwiększyć swoją sprawność dzięki przypadkowym zmianom w niezbędnych genach.

Nowe eksperymenty ewolucyjne zaczynają dostarczać wglądu w to, jak mogą ewoluować najmniejsze, najprostsze organizmy — i jak zasady ewolucji łączą wszystkie formy życia, nawet genetyczne nowości opracowane w laboratoriach. „Coraz częściej widzimy dowody na to, że ta [minimalna komórka] jest organizmem, który nie jest czymś dziwacznym i niepodobnym do reszty życia na Ziemi” — powiedział John Glass, autor Natura naukowiec i lider grupy biologii syntetycznej w J. Craig Venter Institute (JCVI) w Kalifornii, która jako pierwsza stworzyła komórkę minimalną.

A co, jeśli „pozwolimy temu się rozluźnić”?

Tak jak XIX- i XX-wieczni fizycy używali wodoru, najprostszego ze wszystkich atomów, do dokonywania przełomowych odkryć dotyczących materii, tak biolodzy syntetyczni opracowują minimalne komórki, aby badać podstawowe zasady życia. Cel ten został zrealizowany w 19 roku, kiedy Glass i jego współpracownicy wytworzył minimalną komórkę, JCVI-syn3.0. Wzorowali się na tym Mykoplazmy mycoides, pasożytniczą bakterię żyjącą u kóz, która już radzi sobie z bardzo małym genomem. W 2010 roku zespół opracował JCVI-syn1.0, syntetyczną wersję naturalnej komórki bakteryjnej. Wykorzystując to jako przewodnik, sporządzili listę genów, o których wiadomo, że są niezbędne, złożyli je w komórce drożdży, a następnie przenieśli ten nowy genom do blisko spokrewnionej komórki bakteryjnej, która została opróżniona z pierwotnego DNA.

Dwa lata później na konferencji w Nowej Anglii, Jaya Lennona, biolog ewolucyjny z Indiana University Bloomington, wysłuchał wykładu Clyde'a Hutchisona, emerytowany profesor JCVI, który kierował zespołem projektującym minimalną komórkę. Potem Lennon zapytał go: „Co się stanie, gdy wypuścisz ten organizm na wolność?” To znaczy, co stałoby się z minimalnymi komórkami, gdyby zostały poddane naturalnej presji selekcyjnej, tak jak bakterie na wolności?

Dla Lennona jako biologa ewolucyjnego pytanie było oczywiste. Ale po tym, jak on i Hutchison zastanawiali się nad tym przez kilka minut, stało się jasne, że odpowiedź nie brzmi.

Minimalna komórka „to rodzaj życia – to sztuczny typ życia, ale to martwa natura”, powiedział Lennon, ponieważ spełnia najbardziej podstawową definicję życia jako czegoś, co może się rozmnażać i rosnąć. Dlatego powinien reagować na naciski ewolucyjne, tak jak robią to goryle, żaby, grzyby i wszystkie inne organizmy. Ale nadrzędna hipoteza była taka, że ​​usprawniony genom może „osłabić zdolność tego organizmu do adaptacyjnej ewolucji” – powiedział Lennon.

Nikt jednak nie miał pojęcia, co tak naprawdę się stanie, ponieważ badacze na ogół bardzo dbali o to, aby minimalne komórki nie ewoluowały. Kiedy próbki komórek są dystrybuowane przez JCVI do któregokolwiek z około 70 laboratoriów, które teraz z nimi współpracują, są one dostarczane w stanie nienaruszonym i zamrożone w temperaturze minus 80 stopni Celsjusza. Kiedy je wyjmiesz, to jak ich pierwszy dzień na Ziemi, Lennon powiedział: „To zupełnie nowe komórki, które nigdy nie widziały dnia ewolucji”.

Wkrótce po ich spotkaniu Hutchison skontaktował Lennona z Glassem, który udostępnił próbki minimalnych komórek jego zespołu laboratorium Lennona w Indianie. Potem Lennon i Roy Moger-Reischer, jego ówczesny doktorant, zabrali się do pracy.

Testowanie usprawnionych komórek

Zaczęli od eksperymentu mającego na celu zmierzenie tempa mutacji w minimalnych komórkach. Wielokrotnie przenosili skrawek rosnącej minimalnej populacji komórek na szalki Petriego, co umożliwiło komórkom wzrost bez ograniczających wpływów, takich jak konkurencja. Odkryli, że komórka minimalna mutowała w tempie porównywalnym do komórki poddanej inżynierii M. mycoides — co jest najwyższym ze wszystkich zarejestrowanych współczynników mutacji bakteryjnych.

Mutacje w obu organizmach były dość podobne, ale naukowcy zauważyli, że naturalna tendencja mutacyjna była przesadzona w minimalnej komórce. w M. mycoides komórek, prawdopodobieństwo zmiany A lub T w kodzie genetycznym na G lub C było 30 razy większe niż na odwrót. W minimalnej komórce było to 100 razy bardziej prawdopodobne. Prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że niektóre geny usunięte podczas procesu minimalizacji zwykle zapobiegają tej mutacji.

W drugiej serii eksperymentów, zamiast przenosić małą grupę komórek, naukowcy przenieśli gęste populacje komórek na 300 dni i 2,000 pokoleń. Pozwoliło to na większą konkurencję i dobór naturalny, sprzyjając korzystnym mutacjom i pojawieniu się wariantów genetycznych, które ostatecznie znalazły się we wszystkich komórkach.

Aby zmierzyć sprawność komórek, obliczyli ich maksymalne tempo wzrostu co 65 do 130 pokoleń. Im szybciej komórki rosły, tym więcej komórek potomnych produkowały dla następnego pokolenia. Aby porównać sprawność wyewoluowanych i niewyewoluowanych komórek minimalnych, naukowcy zmusili je do konkurowania z bakteriami przodków. Zmierzyli, jak obfite były komórki na początku eksperymentu i po 24 godzinach.

Obliczyli, że pierwotna minimalna komórka straciła 53% swojej względnej sprawności wraz z nieistotnymi genami. Minimalizacja „doprowadziła komórkę do choroby” – powiedział Lennon. Jednak pod koniec eksperymentów minimalne komórki odzyskały całą tę sprawność. Mogą walczyć od stóp do głów z bakteriami przodków.

„To mnie rozwaliło” — powiedział Antoniego Vecchiarelliego, mikrobiolog z University of Michigan, który nie brał udziału w badaniu. „Można by pomyśleć, że jeśli masz tylko niezbędne geny, teraz naprawdę ograniczyłeś ewolucję, która… może pójść w pozytywnym kierunku”.

Jednak siła doboru naturalnego była oczywista: szybko optymalizował przystosowanie nawet w najprostszym autonomicznym organizmie, który miał niewielką lub żadną elastyczność mutacji. Kiedy Lennon i Moger-Reischer dostosowali się do względnej sprawności organizmów, odkryli, że komórki minimalne ewoluowały o 39% szybciej niż komórki syntetyczne M. mycoides bakterii, z których pochodzą.

Wymiana strachu i chciwości

Badanie było „niesamowicie prowokującym do myślenia” pierwszym krokiem, powiedział Vecchiarelli. Nie jest pewne, co by się stało, gdyby komórki nadal ewoluowały: czy odzyskałyby niektóre geny lub złożoność, które utraciły w procesie minimalizacji? W końcu sama minimalna komórka jest wciąż trochę tajemnicą. Około 80 genów niezbędnych do jego przetrwania nie ma żadnej znanej funkcji.

Odkrycia rodzą również pytania o to, które geny muszą pozostać w minimalnej komórce, aby dobór naturalny i ewolucja mogły postępować.

Od 2016 roku zespół JCVI dodał kilka nieistotnych genów, aby pomóc minimalnym liniom komórkowym rosnąć i dzielić się bardziej jak naturalne komórki. Zanim to zrobili, JCVI-syn3.0 rósł i dzielił się na dziwne kształty, zjawisko, które Glass i jego zespół badają, aby sprawdzić, czy ich minimalne komórki dzielą się tak, jak robiły to komórki pierwotne.

Naukowcy odkryli, że większość korzystnych mutacji faworyzowanych przez dobór naturalny w ich eksperymentach dotyczyła genów niezbędnych. Ale jedna krytyczna mutacja dotyczyła nieistotnego genu o nazwie ftsZ, który koduje białko regulujące podziały komórkowe. Kiedy zmutował M. mycoidesbakteria powiększyła się o 80%. Co ciekawe, ta sama mutacja w minimalnej komórce nie zwiększyła jej rozmiaru. To pokazuje, jak mutacje mogą pełnić różne funkcje w zależności od kontekstu komórkowego, powiedział Lennon.

W badanie uzupełniające, który został przyjęty przez iNauka ale jeszcze nie opublikowana, grupa kierowana przez Bernharda Palssona na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego podali podobne wyniki z eksperymentów na wariancie tej samej minimalnej komórki. Nie znaleźli ftsZ mutacja w ich wyewoluowanych komórkach minimalnych, ale znaleźli podobne mutacje w innych genach, które rządzą podziałem komórek, podkreślając, że istnieje wiele sposobów osiągnięcia wyniku biologicznego, powiedział Palsson.

Nie patrzyli na wielkość komórek, ale sprawdzali, które geny uległy ekspresji przed, w trakcie i po epizodzie ewolucji. Zaobserwowali „kompromis między strachem a chciwością”, tendencję obserwowaną również u naturalnych bakterii do ewolucji mutacji w genach, które pomogą im rosnąć, zamiast mutacji, które wytwarzałyby więcej białek naprawy DNA w celu naprawienia błędów.

Tutaj widać, że „mutacje zwykle odzwierciedlają procesy komórkowe, które są potrzebne do poprawy funkcji” – powiedział Palsson.

Wykazanie, że minimalna komórka może ewoluować jak komórki z bardziej naturalnym genomem, było ważne, ponieważ potwierdziło „jak dobrze reprezentuje życie w ogóle” – powiedział Zia. Dla wielu badaczy celem minimalnej komórki jest służyć jako niezwykle użyteczny przewodnik do zrozumienia bardziej złożonych naturalnych komórek i zasad, którymi się kierują.

Inne badania również zaczynają badać, w jaki sposób komórki minimalne reagują na naturalne naciski. Zgłosiła się grupa iNauka w 2021 r. komórki minimalne mogą szybko wykształcić oporność na różne antybiotyki, podobnie jak bakterie.

Wiedza o tym, które geny są bardziej podatne na mutacje i prowadzą do użytecznych adaptacji, może kiedyś pomóc naukowcom w opracowaniu leków, które z czasem staną się lepsze w tym, co robią w organizmie. Aby zbudować solidne syntetyczne formy życia, które mają bardzo różne zdolności, biolodzy ewolucyjni i biolodzy syntetyczni muszą współpracować, „ponieważ bez względu na to, jak bardzo to inżynierujesz, to wciąż biologia, a biologia ewoluuje” – powiedział Adamala.