Могут эволюционировать даже синтетические формы жизни с крошечным геномом | Журнал Кванта

Семь лет назад исследователи показали, что они могут разобрать клетки до самых основ, создав форму жизни с наименьшим геномом, который все еще позволяет ей расти и делиться в лаборатории. Но потеряв половину своей генетической нагрузки, эта «минимальная» клетка также потеряла часть выносливости и приспособляемости, которые естественная жизнь развивала в течение миллиардов лет. Это заставило биологов задаться вопросом, могло ли сокращение быть путешествием в один конец: сокращая клетки до самого необходимого, не оставили ли они клетки неспособными к эволюции, потому что они не могли пережить изменение даже еще одного гена?

Теперь у нас есть доказательство того, что даже один из самых слабых и простейших самовоспроизводящихся организмов на планете может адаптироваться. Всего за 300 дней эволюции в лаборатории, что эквивалентно 40,000 XNUMX человеческих лет, жалкие минимальные клетки восстановили всю приспособленность, которой они пожертвовали, команда из Университета Индианы. недавно сообщил, В журнале природа. Исследователи обнаружили, что клетки реагировали на давление отбора так же, как крошечные бактерии, из которых они произошли. Вторая исследовательская группа из Калифорнийского университета в Сан-Диего независимо пришла к аналогичному выводу в работе, которая была принята к публикации.

«Оказывается, жизнь, даже такая простая жизнь, как минимальная клетка, гораздо надежнее, чем мы думали», — сказал он. Кейт Адамала, биохимик и доцент Миннесотского университета, не участвовавший ни в одном исследовании. «Вы можете бросать в него камни, и он все равно выживет». Даже в геноме, где каждый отдельный ген служит определенной цели, а изменение, казалось бы, было бы вредным, эволюция формирует организмы адаптивно.

«Это ошеломляющее достижение, — сказал Розанна Зия, физик из Университета Миссури, чьи исследования направлены на построение основанной на физике модели минимальной клетки, и который не принимал участия в исследовании. По ее словам, новая работа показала, что даже без каких-либо лишних ресурсов генома минимальные клетки могут улучшить свою приспособленность за счет случайных изменений в основных генах.

Новые эволюционные эксперименты начинают давать представление о том, как могут развиваться самые маленькие и простейшие организмы, и как принципы эволюции объединяют все формы жизни, даже генетические новшества, разработанные в лабораториях. «Мы все чаще видим доказательства того, что эта [минимальная клетка] представляет собой организм, который не является чем-то причудливым и непохожим на остальную жизнь на Земле», — сказал Джон Гласс, автор исследования. природа исследование и руководитель группы синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера (JCVI) в Калифорнии, которая впервые разработала минимальную клетку.

Что, если мы «отпустим это»?

Точно так же, как физики 19-го и 20-го веков использовали водород, самый простой из всех атомов, чтобы сделать основополагающие открытия о материи, биологи-синтетики разрабатывали минимальные клетки для изучения основных принципов жизни. Эта цель была реализована в 2016 году, когда Гласс и его коллеги получил минимальную ячейку, JCVI-син3.0. Они смоделировали его после Микоплазма микоиды, обитающая на козах паразитическая бактерия, которая уже справляется с очень маленьким геномом. В 2010 году команда разработала JCVI-syn1.0, синтетическую версию естественной бактериальной клетки. Используя его в качестве ориентира, они составили список генов, которые, как известно, являются важными, собрали их в дрожжевой клетке, а затем перенесли этот новый геном в близкородственную бактериальную клетку, лишенную исходной ДНК.

Два года спустя на конференции в Новой Англии Джей Леннон, биолог-эволюционист из Индианского университета в Блумингтоне, прослушал доклад Клайд Хатчисон, почетный профессор JCVI, руководивший командой разработчиков минимальной ячейки. После этого Леннон спросил его: «Что происходит, когда вы даете этому организму свободу?» То есть, что случилось бы с минимальными клетками, если бы они подверглись давлению естественного отбора, подобно бактериям в дикой природе?

Для Леннона как биолога-эволюциониста этот вопрос был очевиден. Но после того, как он и Хатчисон несколько минут обдумывали это, стало очевидно, что ответа нет.

Минимальная клетка «является типом жизни — это искусственный тип жизни, но это все же жизнь», — сказал Леннон, потому что она соответствует самому основному определению жизни как чего-то, что способно воспроизводиться и расти. Следовательно, он должен реагировать на эволюционное давление так же, как это делают гориллы, лягушки, грибы и все другие организмы. Но всеобъемлющая гипотеза заключалась в том, что упрощенный геном может «ослабить способность этого организма к адаптивной эволюции», сказал Леннон.

Однако никто не имел ни малейшего представления о том, что произойдет на самом деле, потому что исследователи, как правило, очень старались не допустить эволюции минимального количества клеток. Когда образцы клеток распределяются JCVI в любую из примерно 70 лабораторий, которые сейчас работают с ними, они доставляются нетронутыми и замороженными при температуре минус 80 градусов по Цельсию. Леннон сказал, что когда вы их вынимаете, это похоже на их первый день на Земле: «Это совершенно новые клетки, которые никогда не видели ни дня эволюции».

Вскоре после их встречи Хатчисон связал Леннона с Глассом, который поделился образцами минимальных клеток своей команды с лабораторией Леннона в Индиане. Затем к работе приступили Леннон и Рой Могер-Райшер, его в то время аспирант.

Тестирование оптимизированных ячеек

Они начали с эксперимента, направленного на измерение частоты мутаций в минимальных клетках. Они неоднократно переносили кусочек растущей минимальной клеточной популяции в чашки Петри, что позволяло клеткам расти без сдерживающих факторов, таких как конкуренция. Они обнаружили, что минимальная клетка мутировала со скоростью, сравнимой со скоростью модифицированной клетки. М. микоидес — что является самой высокой из всех зарегистрированных скоростей бактериальных мутаций.

Мутации в двух организмах были довольно похожи, но исследователи заметили, что естественная мутационная предвзятость была преувеличена в минимальной клетке. в М. микоидес клеток, мутация в 30 раз чаще заменяла А или Т в генетическом коде на G или С, чем наоборот. В минимальной ячейке это было в 100 раз более вероятно. Вероятным объяснением является то, что некоторые гены, удаленные в процессе минимизации, обычно предотвращают эту мутацию.

Во второй серии экспериментов вместо небольшой группы клеток исследователи переносили плотные популяции клеток на 300 дней и 2,000 поколений. Это позволило усилить конкуренцию и естественный отбор, способствуя полезным мутациям и появлению генетических вариантов, которые в конечном итоге оказались во всех клетках.

Чтобы измерить приспособленность клеток, они рассчитали их максимальную скорость роста каждые 65–130 поколений. Чем быстрее росли клетки, тем больше дочерних клеток они производили для следующего поколения. Чтобы сравнить приспособленность эволюционировавших и неэволюционировавших минимальных клеток, исследователи заставили их конкурировать с бактериями-предками. Они измерили количество клеток в начале эксперимента и через 24 часа.

Они подсчитали, что исходная минимальная клетка потеряла 53% своей относительной приспособленности вместе со своими несущественными генами. Минимизация «сделала камеру больной», сказал Леннон. Тем не менее, к концу экспериментов минимальные клетки вернули себе всю эту приспособленность. Они могли сойтись лицом к лицу с предковыми бактериями.

«Это взорвало мне мозг», — сказал Энтони Веккиарелли, микробиолог из Мичиганского университета, не участвовавший в исследовании. «Можно подумать, что если у вас есть только необходимые гены, то вы действительно ограничите количество эволюции, которая… может пойти в положительном направлении».

Тем не менее сила естественного отбора была очевидна: он быстро оптимизировал приспособленность даже самого простого автономного организма, у которого практически не было гибкости к мутациям. Когда Леннон и Могер-Райшер сделали поправку на относительную приспособленность организмов, они обнаружили, что минимальные клетки эволюционировали на 39 % быстрее, чем синтетические. М. микоидес бактерии, от которых они произошли.

Компромисс между страхом и жадностью

По словам Веккьярелли, исследование было «невероятно заставляющим задуматься» первым шагом. Неясно, что произойдет, если клетки будут продолжать развиваться: получат ли они обратно некоторые гены или сложность, которые они потеряли в процессе минимизации? В конце концов, сама минимальная ячейка до сих пор остается загадкой. Около 80 генов, необходимых для его выживания, не имеют известной функции.

Полученные данные также поднимают вопросы о том, какие гены должны оставаться в минимальной клетке для продолжения естественного отбора и эволюции.

С 2016 года команда JCVI добавила некоторые несущественные гены, чтобы помочь минимальным клеточным линиям расти и делиться как естественные клетки. До того, как они это сделали, JCVI-syn3.0 рос и делился на странные формы — феномен, который Гласс и его команда исследуют, чтобы увидеть, делятся ли их минимальные клетки так, как это делали первичные клетки.

Исследователи обнаружили, что большинство полезных мутаций, одобренных естественным отбором в их экспериментах, были в основных генах. Но одна критическая мутация была в второстепенном гене под названием ftsZ, который кодирует белок, регулирующий деление клеток. Когда он мутировал в М. микоидес, бактерия выросла на 80%. Любопытно, что такая же мутация в минимальной клетке не увеличила ее размер. Это показывает, как мутации могут иметь разные функции в зависимости от клеточного контекста, сказал Леннон.

В дополнительное исследование, который был принят iScience но еще не опубликовано, группа под руководством Бернхард Палссон в Калифорнийском университете в Сан-Диего сообщили об аналогичных результатах экспериментов с вариантом той же минимальной клетки. Они не нашли ftsZ мутация в их эволюционировавших минимальных клетках, но они обнаружили аналогичные мутации в других генах, которые управляют клеточным делением, подчеркивая тот факт, что существует множество способов достижения биологического результата, сказал Палссон.

Они не смотрели на размер клетки, но проверяли, какие гены экспрессировались до, во время и после эпизода эволюции. Они наблюдали «компромисс между страхом и жадностью», тенденцию, также наблюдаемую у естественных бактерий, вызывать мутации в генах, которые помогут им расти, а не мутации, которые будут производить больше белков восстановления ДНК для исправления ошибок.

Здесь вы можете видеть, что «мутации, как правило, отражают клеточные процессы, необходимые для улучшения функции», — сказал Палссон.

Демонстрация того, что минимальная клетка может развиваться подобно клеткам с более естественным геномом, была важна, потому что она подтвердила, «насколько хорошо она представляет жизнь в целом», — сказал Зия. Для многих исследователей весь смысл минимальной клетки состоит в том, чтобы служить чрезвычайно полезным руководством для понимания более сложных естественных клеток и правил, которым они следуют.

Другие исследования также начинают исследовать, как минимальные клетки реагируют на естественное давление. Группа сообщила в iScience в 2021 году минимальные клетки могут быстро развить устойчивость к различным антибиотикам, как и бактерии.

Знание того, какие гены с большей вероятностью мутируют и приводят к полезным адаптациям, может когда-нибудь помочь исследователям разработать лекарства, которые со временем улучшат свои функции в организме. Чтобы создать надежные синтетические формы жизни, обладающие очень разными способностями, биологи-эволюционисты и биологи-синтетики должны работать вместе, «потому что независимо от того, сколько вы их проектируете, это все равно биология, а биология развивается», — сказал Адамала.