Celo sintetične življenjske oblike z majhnim genomom se lahko razvijejo | Revija Quanta

Pred sedmimi leti so raziskovalci pokazali, da bi lahko celice odstranili do njihovih najosnovnejših elementov in tako ustvarili življenjsko obliko z najmanjšim genomom, ki bi še omogočala rast in delitev v laboratoriju. Toda s tem, ko je izgubila polovico svoje genetske obremenitve, je ta "minimalna" celica izgubila tudi nekaj trdnosti in prilagodljivosti, ki ju je naravno življenje razvijalo v milijardah let. Zaradi tega so se biologi spraševali, ali je bilo zmanjšanje morda enosmerno potovanje: ali so pri obrezovanju celic do najnujnejših elementov celice pustili nesposobne za razvoj, ker niso mogle preživeti spremembe niti v enem genu več?

Zdaj imamo dokaz, da se lahko prilagodi tudi eden najšibkejših, najpreprostejših samopodvajajočih se organizmov na planetu. V samo 300 dneh evolucije v laboratoriju, kar je generacijsko enakovredno 40,000 človeškim letom, so skromne celice ponovno pridobile vso kondicijo, ki so jo žrtvovale, ugotavlja ekipa z univerze Indiana. nedavno poročali v reviji Narava. Raziskovalci so ugotovili, da so se celice na selekcijske pritiske odzvale približno tako dobro kot drobne bakterije, iz katerih so bile pridobljene. Druga raziskovalna skupina na kalifornijski univerzi v San Diegu je neodvisno prišla do podobnega zaključka v delu, ki je bilo sprejeto za objavo.

"Izkazalo se je, da je življenje, celo tako preprosto slabotno življenje, kot je minimalna celica, veliko bolj robustno, kot smo mislili," je dejal Kate Adamala, biokemik in docent na Univerzi v Minnesoti, ki ni bil vključen v nobeno študijo. "Vanj lahko mečeš ​​kamenje, pa bo še vedno preživel." Tudi v genomu, kjer vsak posamezen gen služi svojemu namenu in bi bila sprememba na videz škodljiva, evolucija oblikuje organizme prilagodljivo.

"To je osupljiv dosežek," je rekel Roseanna Zia, fizik na Univerzi v Missouriju, katerega raziskava je namenjena izgradnji na fiziki temelječega modela minimalne celice in ki ni bil vključen v študijo. Novo delo je pokazalo, da lahko minimalne celice tudi brez rezervnih virov genoma povečajo svojo sposobnost z naključnimi spremembami bistvenih genov.

Novi evolucijski poskusi začenjajo zagotavljati vpogled v to, kako bi se lahko razvili najmanjši, najpreprostejši organizmi - in kako načela evolucije združujejo vse oblike življenja, tudi genetske novosti, razvite v laboratorijih. "Vse pogosteje opažamo dokaze, da je ta [minimalna celica] organizem, ki ni nekaj bizarnega in drugačen od preostalega življenja na Zemlji," je dejal John Glass, avtor na Narava študijo in vodja skupine za sintetično biologijo na inštitutu J. Craig Venter (JCVI) v Kaliforniji, ki je prva oblikovala minimalno celico.

Kaj pa, če 'spustimo'?

Tako kot so fiziki 19. in 20. stoletja uporabljali vodik, najpreprostejši od vseh atomov, da bi naredili temeljna odkritja o materiji, so sintetični biologi razvijali minimalne celice za preučevanje osnovnih principov življenja. Ta cilj je bil uresničen leta 2016, ko sta Glass in njegovi sodelavci ustvaril minimalno celico, JCVI-syn3.0. Zgledovali so se po Mycoplasma mycoides, parazitska bakterija, ki živi na kozah in se že znajde z zelo majhnim genomom. Leta 2010 je ekipa izdelala JCVI-syn1.0, sintetično različico naravne bakterijske celice. Uporabili so ga kot vodilo in sestavili seznam genov, za katere je znano, da so bistveni, jih sestavili v celici kvasovk in nato ta novi genom prenesli v tesno povezano bakterijsko celico, ki je bila izpraznjena svoje prvotne DNK.

Dve leti kasneje je na konferenci v Novi Angliji Jay Lennon, evolucijski biolog na univerzi Indiana Bloomington, je poslušal govor Clyde Hutchison, zaslužni profesor na JCVI, ki je vodil ekipo za inženiring minimalne celice. Nato ga je Lennon vprašal: "Kaj se zgodi, ko pustiš ta organizem na prostosti?" To pomeni, kaj bi se zgodilo z minimalnimi celicami, če bi bile podvržene pritiskom naravne selekcije kot bakterije v divjini?

Za Lennona kot evolucijskega biologa je bilo vprašanje očitno. Ko pa sta s Hutchisonom nekaj minut razmišljala, je postalo očitno, da odgovor ni bil.

Minimalna celica "je vrsta življenja - je umetna vrsta življenja, vendar je še vedno življenje," je dejal Lennon, ker izpolnjuje najosnovnejšo definicijo življenja kot nečesa, kar se lahko razmnožuje in raste. Zato bi se moralo odzivati ​​na evolucijske pritiske tako kot se odzivajo gorile, žabe, glive in vsi drugi organizmi. Toda krovna hipoteza je bila, da bi poenostavljeni genom lahko "ohromil sposobnost tega organizma, da se prilagodljivo razvija," je dejal Lennon.

Nihče pa ni imel pojma, kaj se bo v resnici zgodilo, ker so raziskovalci na splošno zelo pazili, da bi preprečili razvoj minimalnih celic. Ko JCVI razdeli vzorce celic v katerega koli od približno 70 laboratorijev, ki zdaj sodelujejo z njimi, so dostavljeni nedotaknjeni in zamrznjeni pri minus 80 stopinjah Celzija. Ko jih vzameš ven, je kot da bi bil njihov prvi dan na Zemlji, je rekel Lennon: "To so popolnoma nove celice, ki še nikoli niso doživele evolucije."

Kmalu po njunem srečanju je Hutchison Lennona povezal z Glassom, ki je delil vzorce minimalnih celic svoje ekipe z Lennonovim laboratorijem v Indiani. Nato sta se Lennon in Roy Moger-Reischer, njegov takratni podiplomski študent, lotila dela.

Testiranje poenostavljenih celic

Začeli so z eksperimentom, namenjenim merjenju stopenj mutacije v minimalnih celicah. Večkrat so prenesli delček rastoče minimalne celične populacije v petrijevke, kar je celicam omogočilo rast brez omejevalnih vplivov, kot je konkurenca. Ugotovili so, da je minimalna celica mutirala s hitrostjo, ki je primerljiva s stopnjo inženirstva M. mycoides — kar je najvišja med vsemi zabeleženimi stopnjami bakterijskih mutacij.

Mutacije v obeh organizmih so bile precej podobne, vendar so raziskovalci opazili, da je bila naravna mutacijska pristranskost v minimalni celici pretirana. V M. mycoides celic, je bila verjetnost, da bo mutacija zamenjala A ali T v genetski kodi za G ali C, 30-krat večja kot obratno. V minimalni celici je bila verjetnost 100-krat večja. Verjetna razlaga je, da nekateri geni, odstranjeni med postopkom minimizacije, običajno preprečijo to mutacijo.

V drugi seriji poskusov so raziskovalci namesto majhne skupine celic prenesli gosto populacijo celic za 300 dni in 2,000 generacij. To je omogočilo večjo konkurenco in naravno selekcijo, ki je dajala prednost koristnim mutacijam in pojavu genetskih variant, ki so sčasoma končale v vseh celicah.

Da bi izmerili sposobnost celic, so izračunali njihovo največjo stopnjo rasti vsakih 65 do 130 generacij. Hitreje kot so celice rasle, več hčerinskih celic so proizvedle za naslednjo generacijo. Da bi primerjali sposobnost razvitih in nerazvitih minimalnih celic, so jih raziskovalci prisilili, da tekmujejo proti bakterijam prednikov. Izmerili so, kako bogate so bile celice na začetku poskusa in po 24 urah.

Izračunali so, da je prvotna minimalna celica izgubila 53 % svoje relativne sposobnosti skupaj s svojimi nebistvenimi geni. Zaradi zmanjšanja je "celica zbolela", je dejal Lennon. Toda do konca poskusov so minimalne celice razvile vso to sposobnost nazaj. Lahko bi se spopadli z bakterijami prednikov.

"To mi je padlo na pamet," je rekel Anthony Vecchiarelli, mikrobiolog z Univerze v Michiganu, ki ni bil vključen v študijo. "Mislili bi si, da če imate le bistvene gene, ste zdaj res omejili količino evolucije, ki … gre lahko v pozitivno smer."

Vendar je bila moč naravne selekcije jasna: hitro je optimizirala kondicijo tudi v najpreprostejšem avtonomnem organizmu, ki je imel malo ali nič prilagodljivosti za mutacije. Ko sta Lennon in Moger-Reischer prilagodila relativno pripravljenost organizmov, sta ugotovila, da so se minimalne celice razvile 39 % hitreje od sintetičnih. M. mycoides bakterije, iz katerih izvirajo.

Kompromis med strahom in pohlepom

Vecchiarelli je dejal, da je bila študija "neverjetno spodbuden" prvi korak. Negotovo je, kaj bi se zgodilo, če bi se celice še naprej razvijale: ali bi pridobile nazaj nekaj genov ali kompleksnosti, ki so jih izgubile v procesu minimizacije? Navsezadnje je sama minimalna celica še vedno skrivnost. Približno 80 genov, ki so bistveni za njegovo preživetje, nima znane funkcije.

Ugotovitve odpirajo tudi vprašanja o tem, kateri geni morajo ostati v minimalni celici, da se naravna selekcija in evolucija nadaljujeta.

Od leta 2016 je skupina JCVI dodala nekaj nebistvenih genov, da bi minimalnim celičnim linijam pomagala rasti in se deliti bolj kot naravne celice. Preden so to storili, je JCVI-syn3.0 rasel in se delil v nenavadne oblike, pojav, ki ga Glass in njegova ekipa preiskujeta, da bi ugotovili, ali se njihove minimalne celice delijo tako, kot so se primordialne celice.

Raziskovalci so ugotovili, da je večina koristnih mutacij, ki jih daje naravna selekcija v njihovih poskusih, v bistvenih genih. Toda ena kritična mutacija je bila v nebistvenem genu, imenovanem ftsZ, ki kodira protein, ki uravnava celično delitev. Ko je mutiral v M. mycoides, se je bakterija povečala za 80 %. Zanimivo je, da ista mutacija v minimalni celici ni povečala njene velikosti. To kaže, kako imajo lahko mutacije različne funkcije glede na celični kontekst, je dejal Lennon.

V dopolnilni študij, ki ga je sprejel iScience vendar še ni objavljena, skupina pod vodstvom Bernhard Palsson na Univerzi v Kaliforniji v San Diegu so poročali o podobnih rezultatih poskusov na različici iste minimalne celice. Niso našli ftsZ mutacije v njihovih razvitih minimalnih celicah, vendar so našli podobne mutacije v drugih genih, ki uravnavajo delitev celic, s poudarkom na tem, da obstaja več načinov za doseganje biološkega izida, je dejal Palsson.

Niso gledali na velikost celice, ampak so preverili, kateri geni so bili izraženi pred, med in po epizodi evolucije. Opazili so »kompromis med strahom in pohlepom«, težnjo, ki jo opazimo tudi pri naravnih bakterijah, da razvijejo mutacije v genih, ki bodo pomagale rasti, namesto mutacij, ki bi proizvedle več proteinov za popravilo DNK, da bi popravili napake.

Tukaj lahko vidite, da "mutacije ponavadi odražajo celične procese, ki so potrebni za izboljšanje funkcije," je dejal Palsson.

Dokazovanje, da se minimalna celica lahko razvija kot celice z bolj naravnim genomom, je bilo pomembno, ker je potrdilo, "kako dobro predstavlja življenje na splošno", je dejala Zia. Za mnoge raziskovalce je bistvo minimalne celice v tem, da služi kot kritično koristen vodnik za razumevanje kompleksnejših naravnih celic in pravil, ki jim sledijo.

Tudi druge študije začenjajo raziskovati, kako se minimalne celice odzivajo na naravne pritiske. Skupina je poročala v iScience leta 2021, da lahko minimalne celice hitro razvijejo odpornost na različne antibiotike, tako kot bakterije.

Poznavanje, za katere gene obstaja večja verjetnost, da mutirajo in vodijo do uporabnih prilagoditev, bi lahko nekega dne pomagalo raziskovalcem oblikovati zdravila, ki bodo sčasoma postala boljša pri tem, kar počnejo v telesu. Da bi zgradili robustne sintetične življenjske oblike, ki imajo zelo različne sposobnosti, morajo evolucijski biologi in sintetični biologi sodelovati, "kajti ne glede na to, koliko ga inženiringa, je to še vedno biologija in biologija se razvija," je dejal Adamala.