Chiar și formele de viață sintetice cu un genom minuscul pot evolua | Revista Quanta

În urmă cu șapte ani, cercetătorii au arătat că ar putea îndepărta celulele până la baza lor fundamentală, creând o formă de viață cu cel mai mic genom care îi permite încă să crească și să se dividă în laborator. Dar, eliminând jumătate din încărcătura genetică, acea celulă „minimală” și-a pierdut, de asemenea, o parte din rezistența și adaptabilitatea pe care viața naturală a evoluat de-a lungul miliardelor de ani. Acest lucru i-a lăsat pe biologi să se întrebe dacă reducerea ar fi putut fi o călătorie într-o singură direcție: prin tăierea celulelor până la elementele esențiale, au lăsat celulele incapabile să evolueze, deoarece nu au putut supraviețui unei schimbări în încă o genă?

Acum avem dovezi că chiar și una dintre cele mai slabe și mai simple organisme autoreplicabile de pe planetă se poate adapta. În timpul a doar 300 de zile de evoluție în laborator, echivalentul generațional a 40,000 de ani umani, celulele mizerabile și-au recăpătat toată starea de fitness pe care au sacrificat-o, o echipă de la Universitatea Indiana. a raportat recent în revista Natură. Cercetătorii au descoperit că celulele au răspuns presiunilor de selecție, precum și bacteriile minuscule din care au fost derivate. Un al doilea grup de cercetare de la Universitatea din California, San Diego a ajuns la o concluzie similară în mod independent în lucrări care au fost acceptate pentru publicare.

„S-a dovedit că viața, chiar și o viață atât de simplă ca o celulă minimă, este mult mai robustă decât am crezut”, a spus Kate Adamala, un biochimist și profesor asistent la Universitatea din Minnesota, care nu a fost implicat în niciunul dintre studii. „Poți arunca cu pietre în el și încă va supraviețui.” Chiar și într-un genom în care fiecare genă servește un scop, iar o schimbare ar fi aparent dăunătoare, evoluția modelează organismele în mod adaptativ.

„Este o realizare uluitoare”, a spus Roseanna Zia, un fizician de la Universitatea din Missouri ale cărui cercetări urmăresc să construiască un model bazat pe fizică al unei celule minime și care nu a fost implicat în studiu. Noua lucrare a aratat ca, chiar si fara resurse genomului de rezerva, a spus ea, celulele minime si-ar putea creste fitness-ul cu modificari aleatorii ale genelor esentiale.

Noile experimente de evoluție încep să ofere perspective asupra modului în care cele mai mici și mai simple organisme ar putea evolua - și cum principiile evoluției unesc toate formele de viață, chiar și noutățile genetice dezvoltate în laboratoare. „Din ce în ce mai mult, vedem dovezi că această [celulă minimă] este un organism care nu este ceva bizar și spre deosebire de restul vieții de pe Pământ”, a spus John Glass, un autor al studiului. Natură studiul și liderul grupului de biologie sintetică de la Institutul J. Craig Venter (JCVI) din California, care a conceput pentru prima dată celula minimă.

Ce se întâmplă dacă „l lăsăm liber”?

La fel cum fizicienii din secolele al XIX-lea și al XX-lea au folosit hidrogenul, cel mai simplu dintre toți atomii, pentru a face descoperiri fundamentale despre materie, biologii sintetici au dezvoltat celule minime pentru a studia principiile de bază ale vieții. Acest obiectiv a fost realizat în 19, când Glass și colegii săi a produs o celulă minimă, JCVI-syn3.0. L-au modelat după Mycoplasma mycoides, o bacterie parazită care locuiește în capre care deja se descurcă cu un genom foarte mic. În 2010, echipa a conceput JCVI-syn1.0, o versiune sintetică a celulei bacteriene naturale. Folosindu-l ca ghid, ei au întocmit o listă de gene cunoscute a fi esențiale, le-au asamblat într-o celulă de drojdie și apoi au transferat acel nou genom într-o celulă bacteriană strâns înrudită, care a fost golită de ADN-ul său original.

Doi ani mai târziu, la o conferință din New England, Jay Lennon, un biolog evoluționist la Universitatea Indiana Bloomington, a ascultat o discuție de la Clyde Hutchison, un profesor emerit la JCVI care a condus echipa de proiectare a celulei minime. După aceea, Lennon l-a întrebat: „Ce se întâmplă când dai drumul acestui organism?” Adică, ce s-ar întâmpla cu celulele minime dacă ar fi supuse presiunilor de selecție naturală, cum ar fi bacteriile în sălbăticie?

Pentru Lennon, ca biolog evoluționist, întrebarea era una evidentă. Dar după ce el și Hutchison s-au gândit la asta câteva minute, a devenit evident că răspunsul nu era.

Celula minimă „este un tip de viață – este un tip de viață artificial, dar este încă viață”, a spus Lennon, deoarece îndeplinește cea mai de bază definiție a vieții ca ceva capabil să se reproducă și să crească. Prin urmare, ar trebui să răspundă la presiunile evolutive la fel cum fac gorilele, broaștele, ciupercile și toate celelalte organisme. Dar ipoteza generală a fost că genomul simplificat ar putea „slăbi capacitatea acestui organism de a evolua adaptiv”, a spus Lennon.

Nimeni nu avea idee ce s-ar întâmpla cu adevărat, totuși, deoarece cercetătorii au avut în general mare grijă să împiedice celulele minime să evolueze. Când probele de celule sunt distribuite de către JCVI la oricare dintre cele aproximativ 70 de laboratoare care lucrează acum cu ele, acestea sunt livrate curate și congelate la minus 80 de grade Celsius. Când le scoți, este ca prima lor zi pe Pământ, a spus Lennon: „Acestea sunt celule noi care nu au văzut niciodată o zi de evoluție”.

La scurt timp după întâlnirea lor, Hutchison l-a pus pe Lennon în legătură cu Glass, care a împărtășit mostre din celulele minime ale echipei sale cu laboratorul lui Lennon din Indiana. Apoi, Lennon și Roy Moger-Reischer, studentul său absolvent la acea vreme, s-au pus pe treabă.

Testarea celulelor optimizate

Ei au început cu un experiment care vizează măsurarea ratelor de mutație în celulele minime. Ei au transferat în mod repetat o parte din populația minimă de celule în creștere în cutii Petri, ceea ce a eliberat celulele să se dezvolte fără influențe constrângeri precum concurența. Ei au descoperit că celula minimă a suferit mutații la o rată comparabilă cu cea a celor modificate M. mycoides — care este cea mai mare rata de mutație bacteriană înregistrată.

Mutațiile din cele două organisme au fost destul de asemănătoare, dar cercetătorii au observat că o părtinire mutațională naturală a fost exagerată în celula minimă. În M. mycoides celule, o mutație a avut de 30 de ori mai multe șanse de a schimba un A sau un T în codul genetic cu un G sau un C decât invers. În celula minimă, a fost de 100 de ori mai probabil. Explicația probabilă este că unele gene îndepărtate în timpul procesului de minimizare previn în mod normal acea mutație.

Într-o a doua serie de experimente, în loc să aducă un grup mic de celule, cercetătorii au transferat populații dense de celule timp de 300 de zile și 2,000 de generații. Acest lucru a permis să apară mai multă competiție și selecție naturală, favorizând mutațiile benefice și apariția unor variante genetice care au ajuns în cele din urmă în toate celulele.

Pentru a măsura fitness-ul celulelor, ei au calculat rata maximă de creștere la fiecare 65 până la 130 de generații. Cu cât celulele au crescut mai repede, cu atât au produs mai multe celule fiice pentru următoarea generație. Pentru a compara fitness-ul celulelor minime evoluate și neevoluate, cercetătorii le-au făcut să concureze împotriva bacteriilor ancestrale. Ei au măsurat cât de abundente erau celulele la începutul experimentului și după 24 de ore.

Ei au calculat că celula minimă originală și-a pierdut 53% din fitness-ul relativ, împreună cu genele sale neesențiale. Minimizarea „îmbolnăvise celula”, a spus Lennon. Cu toate acestea, până la sfârșitul experimentelor, celulele minime au evoluat toată această formă de fitness înapoi. Ar putea merge în picioare împotriva bacteriilor ancestrale.

„Asta mi-a uimit mintea”, a spus Anthony Vecchiarelli, un microbiolog de la Universitatea din Michigan care nu a fost implicat în studiu. „Ați crede că dacă aveți doar gene esențiale, acum ați limitat cu adevărat cantitatea de evoluție care... poate merge în direcția pozitivă.”

Cu toate acestea, puterea selecției naturale a fost clară: a optimizat rapid fitness-ul chiar și în cel mai simplu organism autonom, care nu avea flexibilitate mică sau deloc pentru mutație. Când Lennon și Moger-Reischer s-au adaptat la fitnessul relativ al organismelor, au descoperit că celulele minime au evoluat cu 39% mai repede decât cele sintetice. M. mycoides bacteriile din care au fost derivate.

Compartimentul frică-lăcomie

Studiul a fost un prim pas „incredibil de provocator”, a spus Vecchiarelli. Nu este sigur ce s-ar întâmpla dacă celulele ar continua să evolueze: ar recâștiga unele dintre genele sau complexitatea pe care le-au pierdut în procesul de minimizare? La urma urmei, celula minimă în sine este încă un mister. Aproximativ 80 dintre genele esențiale supraviețuirii sale nu au nicio funcție cunoscută.

Descoperirile ridică, de asemenea, întrebări despre genele care trebuie să rămână în celula minimă pentru ca selecția naturală și evoluția să continue.

Din 2016, echipa JCVI a adăugat înapoi câteva gene neesențiale pentru a ajuta liniile celulare minime să crească și să se dividă mai mult ca celulele naturale. Înainte de a face asta, JCVI-syn3.0 creștea și se împărțea în forme ciudate, un fenomen pe care Glass și echipa sa îl investighează pentru a vedea dacă celulele lor minime se împart așa cum au făcut-o celulele primordiale.

Cercetătorii au descoperit că cele mai multe dintre mutațiile benefice favorizate de selecția naturală în experimentele lor au fost în gene esențiale. Dar o mutație critică a fost într-o genă neesențială numită ftsZ, care codifică o proteină care reglează diviziunea celulară. Când a mutat în M. mycoides, bacteria a crescut cu 80% mai mare. În mod curios, aceeași mutație în celula minimă nu și-a mărit dimensiunea. Aceasta arată cum mutațiile pot avea diferite funcții în funcție de contextul celular, a spus Lennon.

Într-o studiu complementar, care a fost acceptat de iScience dar nepublicat încă, un grup condus de Bernhard Palsson la Universitatea din California, San Diego a raportat rezultate similare din experimente pe o variantă a aceleiași celule minime. Nu au găsit un ftsZ mutație în celulele lor minime evoluate, dar au găsit mutații similare în alte gene care guvernează diviziunea celulară, subliniind faptul că există mai multe moduri de a obține un rezultat biologic, a spus Palsson.

Nu s-au uitat la dimensiunea celulelor, ci au verificat ce gene au fost exprimate înainte, în timpul și după episodul de evoluție. Ei au observat un „compromis frică-lăcomie”, o tendință observată și în bacteriile naturale de a dezvolta mutații în gene care o vor ajuta să crească, mai degrabă decât mutații care ar produce mai multe proteine ​​de reparare a ADN-ului pentru a corecta erorile.

Aici puteți vedea că „mutațiile tind să reflecte procesele celulare care sunt necesare pentru a îmbunătăți o funcție”, a spus Palsson.

Demonstrarea că celula minimă poate evolua ca celulele cu un genom mai natural a fost importantă, deoarece a validat „cât de bine reprezintă viața în general”, a spus Zia. Pentru mulți cercetători, scopul unei celule minime este de a servi drept ghid extrem de util pentru înțelegerea celulelor naturale mai complexe și a regulilor pe care le urmează.

Alte studii încep, de asemenea, să analizeze modul în care celulele minime răspund la presiunile naturale. Un grup a raportat în iScience în 2021, celulele minime pot dezvolta rapid rezistență la diferite antibiotice, la fel ca bacteriile.

Știind care gene sunt mai susceptibile de a muta și de a duce la adaptări utile ar putea ajuta, într-o zi, cercetătorii să proiecteze medicamente care se îmbunătățesc în ceea ce fac în organism în timp. Pentru a construi forme de viață sintetice robuste, care au abilități foarte diferite, biologii evoluționari și biologii sintetici trebuie să lucreze împreună, „pentru că indiferent de cât de mult ați proiectat-o, este totuși biologie, iar biologia evoluează”, a spus Adamala.