แม้แต่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ที่มีจีโนมขนาดเล็กก็สามารถวิวัฒนาการได้ | นิตยสารควอนตั้ม

เมื่อเจ็ดปีที่แล้ว นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถแยกเซลล์ออกได้จนถึงระดับพื้นฐานที่สุด ทำให้เกิดรูปแบบชีวิตที่มีจีโนมที่เล็กที่สุด ซึ่งยังคงปล่อยให้มันเติบโตและแบ่งตัวในห้องทดลองได้ แต่ในการกำจัดภาระทางพันธุกรรมลงครึ่งหนึ่ง เซลล์ "ขั้นต่ำ" นั้นก็สูญเสียความแข็งแกร่งและความสามารถในการปรับตัวบางส่วนที่สิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติพัฒนามาเป็นเวลาหลายพันล้านปี นั่นทำให้นักชีววิทยาสงสัยว่าการลดลงนี้อาจเป็นการเดินทางเที่ยวเดียวหรือไม่ โดยในการตัดเซลล์ให้เหลือเพียงสิ่งจำเป็น พวกเขาปล่อยให้เซลล์ไม่สามารถพัฒนาได้เพราะไม่สามารถอยู่รอดจากการเปลี่ยนแปลงของยีนแม้แต่ตัวเดียวได้หรือไม่

ตอนนี้เรามีข้อพิสูจน์ว่าแม้แต่สิ่งมีชีวิตที่อ่อนแอที่สุดและจำลองตัวเองได้ง่ายที่สุดในโลกก็สามารถปรับตัวได้ ในช่วงวิวัฒนาการเพียง 300 วันในห้องแล็บ ซึ่งเทียบเท่ากับ 40,000 ปีของมนุษย์ เซลล์ที่มีขนาดเล็กมากได้ฟื้นสมรรถภาพทั้งหมดที่พวกเขาได้เสียสละไป ทีมงานของมหาวิทยาลัยอินเดียนา รายงานเมื่อเร็ว ๆ ในวารสาร ธรรมชาติ. นักวิจัยพบว่าเซลล์ตอบสนองต่อแรงกดดันในการคัดเลือกรวมถึงแบคทีเรียเล็กๆ ที่เป็นที่มาของพวกมัน กลุ่มวิจัยกลุ่มที่สองที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้ข้อสรุปที่คล้ายกันโดยอิสระในการทำงานที่ได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์

“ปรากฎว่าชีวิต แม้แต่ชีวิตที่เรียบง่ายแบบเซลล์เล็กๆ ก็ยังแข็งแกร่งกว่าที่เราคิดไว้มาก” กล่าว เคท อดามาลานักชีวเคมีและผู้ช่วยศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตาซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาทั้งสองเรื่อง “คุณสามารถขว้างก้อนหินใส่มันได้ และมันจะยังคงอยู่ต่อไป” แม้แต่ในจีโนมที่ทุกยีนมีจุดมุ่งหมาย และการเปลี่ยนแปลงดูเหมือนจะเป็นอันตราย วิวัฒนาการก็ยังหล่อเลี้ยงสิ่งมีชีวิตให้ปรับตัวได้

“มันเป็นความสำเร็จที่น่าทึ่ง” กล่าว โรซานนา เซียซึ่งเป็นนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยมิสซูรี ซึ่งงานวิจัยมีเป้าหมายเพื่อสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ของเซลล์ขนาดเล็ก และผู้ที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ งานใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าแม้จะไม่มีทรัพยากรจีโนมเหลือเฟือ เธอกล่าวว่าเซลล์ที่มีขนาดเล็กที่สุดสามารถเพิ่มความฟิตของร่างกายได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มในยีนที่จำเป็น

การทดลองวิวัฒนาการครั้งใหม่กำลังเริ่มให้ข้อมูลเชิงลึกว่าสิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุดและเรียบง่ายที่สุดอาจมีวิวัฒนาการได้อย่างไร และหลักการของวิวัฒนาการรวมสิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบเข้าด้วยกัน แม้แต่สิ่งแปลกใหม่ทางพันธุกรรมที่พัฒนาขึ้นในห้องทดลองได้อย่างไร “เราเห็นหลักฐานมากขึ้นเรื่อยๆ ว่า [เซลล์ขั้นต่ำ] นี้เป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช่สิ่งแปลกประหลาดและแตกต่างจากสิ่งมีชีวิตที่เหลือบนโลก” จอห์น กลาส ผู้เขียนรายงาน ธรรมชาติ การศึกษาและเป็นผู้นำกลุ่มชีววิทยาสังเคราะห์ที่สถาบัน J. Craig Venter (JCVI) ในแคลิฟอร์เนียที่ออกแบบเซลล์ขนาดเล็กที่สุดเป็นครั้งแรก

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเรา 'ปล่อยให้มันหลวม'?

เช่นเดียวกับที่นักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 19 และ 20 ใช้ไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดในบรรดาอะตอมทั้งหมดเพื่อค้นพบสาระสำคัญเกี่ยวกับสสาร นักชีววิทยาสังเคราะห์ก็ได้พัฒนาเซลล์ขนาดเล็กที่สุดเพื่อศึกษาหลักการพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต เป้าหมายนั้นเป็นจริงในปี 2016 เมื่อ Glass และเพื่อนร่วมงานของเขา ทำให้เกิดเซลล์น้อยที่สุด, JCVI-syn3.0. พวกเขาสร้างแบบจำลองตามนั้น มัยโคพลาสมา มัยคอยด์ซึ่งเป็นแบคทีเรียปรสิตที่อาศัยอยู่ในแพะซึ่งมีจีโนมขนาดเล็กมากอยู่แล้ว ในปี 2010 ทีมงานได้ออกแบบ JCVI-syn1.0 ซึ่งเป็นเซลล์แบคทีเรียตามธรรมชาติในรูปแบบสังเคราะห์ โดยใช้เป็นแนวทาง พวกเขาได้จัดทำรายการยีนที่ทราบว่าจำเป็น ประกอบเข้าด้วยกันในเซลล์ยีสต์ จากนั้นจึงถ่ายโอนจีโนมใหม่นั้นไปยังเซลล์แบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด ซึ่งถูกล้าง DNA ดั้งเดิมของมันออกไป

สองปีต่อมาในการประชุมที่นิวอิงแลนด์ เจย์ เลนนอนนักชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการแห่งมหาวิทยาลัยอินเดียน่า บลูมมิงตัน ได้ฟังคำพูดจาก ไคลด์ ฮัทชิสันศาสตราจารย์กิตติคุณที่ JCVI ซึ่งเป็นผู้นำทีมวิศวกรรมเซลล์ขนาดเล็กที่สุด หลังจากนั้น เลนนอนก็ถามเขาว่า “จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อคุณปล่อยให้สิ่งมีชีวิตนี้หลุดลอยไป” นั่นคือจะเกิดอะไรขึ้นกับเซลล์ขนาดเล็กที่สุดหากพวกมันอยู่ภายใต้แรงกดดันในการคัดเลือกโดยธรรมชาติ เช่น แบคทีเรียในป่า

สำหรับเลนนอนในฐานะนักชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการ คำถามนี้เป็นคำถามที่ชัดเจน แต่หลังจากที่เขาและฮัทชิสันไตร่ตรองกันสักสองสามนาที ก็เห็นได้ชัดว่าคำตอบไม่ใช่

เซลล์ขนาดเล็กที่สุด “คือประเภทของชีวิต มันเป็นสิ่งมีชีวิตประเภทประดิษฐ์ แต่ก็ยังมีชีวิตอยู่” เลนนอนกล่าว เพราะมันเติมเต็มคำจำกัดความพื้นฐานของชีวิตว่าเป็นสิ่งที่สามารถสืบพันธุ์และเติบโตได้ ดังนั้นมันจึงควรตอบสนองต่อแรงกดดันด้านวิวัฒนาการเช่นเดียวกับกอริลลา กบ เห็ดรา และสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ทั้งหมด แต่สมมติฐานที่ครอบคลุมก็คือจีโนมที่มีความคล่องตัวอาจ "ทำลายความสามารถของสิ่งมีชีวิตนี้ในการพัฒนาแบบปรับตัว" เลนนอนกล่าว

อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นจริง ๆ เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วนักวิจัยได้ใช้ความระมัดระวังเป็นอย่างยิ่งในการป้องกันไม่ให้เซลล์จำนวนเล็กน้อยพัฒนา เมื่อตัวอย่างของเซลล์ถูกแจกจ่ายโดย JCVI ไปยังห้องปฏิบัติการใด ๆ จากทั้งหมด 70 ห้องที่ขณะนี้ทำงานร่วมกับเซลล์เหล่านี้ เซลล์เหล่านั้นจะถูกส่งกลับสภาพเดิมและแช่แข็งที่อุณหภูมิลบ 80 องศาเซลเซียส เมื่อคุณพาพวกมันออกไป มันเหมือนกับวันแรกที่พวกมันอยู่บนโลก เลนนอนกล่าวว่า "นี่คือเซลล์ใหม่เอี่ยมที่ไม่เคยเห็นวันแห่งวิวัฒนาการ"

หลังจากการเผชิญหน้ากันไม่นาน ฮัทชิสันก็ให้เลนนอนติดต่อกับกลาส ซึ่งแบ่งปันตัวอย่างเซลล์ขนาดเล็กของทีมของเขากับห้องทดลองของเลนนอนในรัฐอินเดียนา จากนั้น Lennon และ Roy Moger-Reischer ซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขาในขณะนั้นก็เริ่มทำงาน

การทดสอบเซลล์ที่มีความคล่องตัว

พวกเขาเริ่มต้นด้วยการทดลองที่มุ่งวัดอัตราการกลายพันธุ์ในเซลล์ขนาดเล็กที่สุด พวกเขาย้ายเศษเสี้ยวของจำนวนเซลล์ขั้นต่ำที่เพิ่มขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีกไปยังจานเพาะเชื้อ ซึ่งช่วยให้เซลล์เติบโตได้อย่างอิสระโดยไม่จำกัดอิทธิพลเช่นการแข่งขัน พวกเขาพบว่าเซลล์ขั้นต่ำกลายพันธุ์ในอัตราที่เทียบได้กับเซลล์ที่ถูกออกแบบ เอ็ม. ไมคอยด์ — ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาอัตราการกลายพันธุ์ของแบคทีเรียที่บันทึกไว้

การกลายพันธุ์ในสิ่งมีชีวิตทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันมาก แต่นักวิจัยสังเกตเห็นว่ามีอคติในการกลายพันธุ์ตามธรรมชาติเกินจริงในเซลล์ขนาดเล็กที่สุด ใน เอ็ม. ไมคอยด์ เซลล์ การกลายพันธุ์มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยน A หรือ T ในรหัสพันธุกรรมสำหรับ G หรือ C มากกว่าวิธีอื่นถึง 30 เท่า ในเซลล์ขั้นต่ำ มีโอกาสมากกว่า 100 เท่า คำอธิบายที่เป็นไปได้ก็คือ ยีนบางตัวที่ถูกลบออกในระหว่างกระบวนการย่อเล็กสุดมักจะป้องกันการกลายพันธุ์นั้น

ในการทดลองชุดที่สอง แทนที่จะนำเซลล์กลุ่มเล็กๆ เข้ามา นักวิจัยได้ย้ายเซลล์ที่มีความหนาแน่นหนาแน่นเป็นเวลา 300 วัน และ 2,000 รุ่น นั่นทำให้เกิดการแข่งขันและการคัดเลือกโดยธรรมชาติมากขึ้น โดยสนับสนุนให้เกิดการกลายพันธุ์ที่เป็นประโยชน์ และการเกิดขึ้นของตัวแปรทางพันธุกรรมที่จะไปจบลงในเซลล์ทั้งหมดในที่สุด

เพื่อวัดสมรรถภาพของเซลล์ พวกเขาคำนวณอัตราการเติบโตสูงสุดทุกๆ 65 ถึง 130 รุ่น ยิ่งเซลล์เติบโตเร็วเท่าไร เซลล์ลูกสาวก็จะผลิตมากขึ้นสำหรับคนรุ่นต่อไป เพื่อเปรียบเทียบความเหมาะสมของเซลล์ขั้นต่ำที่พัฒนาแล้วและเซลล์ที่ยังไม่พัฒนา นักวิจัยได้กำหนดให้เซลล์เหล่านี้แข่งขันกับแบคทีเรียของบรรพบุรุษ พวกเขาวัดจำนวนเซลล์ในช่วงเริ่มต้นของการทดลองและหลังจากผ่านไป 24 ชั่วโมง

พวกเขาคำนวณว่าเซลล์ขั้นต่ำสุดดั้งเดิมสูญเสียสมรรถภาพสัมพัทธ์ไป 53% พร้อมกับยีนที่ไม่จำเป็นด้วย การย่อเล็กสุดทำให้ "เซลล์ป่วย" เลนนอนกล่าว แต่เมื่อสิ้นสุดการทดลอง เซลล์ขนาดเล็กที่สุดก็ได้พัฒนาสมรรถภาพทั้งหมดกลับคืนมา พวกเขาสามารถต่อสู้กับแบคทีเรียของบรรพบุรุษแบบตัวต่อตัวได้

“นั่นทำให้ฉันรู้สึกแย่” กล่าว แอนโทนี่ เวคคิอาเรลลีซึ่งเป็นนักจุลชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยนี้ “คุณคงคิดว่าถ้าคุณมียีนที่จำเป็นเท่านั้น ตอนนี้คุณได้จำกัดจำนวนวิวัฒนาการที่ … สามารถไปในทิศทางบวกได้จริงๆ”

แต่พลังของการคัดเลือกโดยธรรมชาติก็ชัดเจน: มันปรับปรุงสมรรถภาพอย่างรวดเร็วแม้กระทั่งในสิ่งมีชีวิตอิสระที่ง่ายที่สุด ซึ่งมีความยืดหยุ่นเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยในการกลายพันธุ์ เมื่อ Lennon และ Moger-Reischer ปรับให้เข้ากับความเหมาะสมของสิ่งมีชีวิต พวกเขาพบว่าเซลล์ขนาดเล็กที่สุดมีการพัฒนาเร็วกว่าเซลล์สังเคราะห์ถึง 39% เอ็ม. ไมคอยด์ แบคทีเรียที่พวกมันได้รับมา

การแลกเปลี่ยนความกลัวและความโลภ

การศึกษานี้เป็นก้าวแรกที่ "กระตุ้นความคิดอย่างไม่น่าเชื่อ" Vecchiarelli กล่าว ไม่แน่ใจว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเซลล์มีการพัฒนาต่อไป: เซลล์เหล่านี้จะได้รับยีนหรือความซับซ้อนบางส่วนที่สูญเสียไปในกระบวนการย่อขนาดกลับคืนมาหรือไม่? ท้ายที่สุดแล้ว เซลล์ขนาดเล็กที่สุดนั้นยังคงเป็นปริศนาอยู่เล็กน้อย ยีนประมาณ 80 ยีนที่จำเป็นต่อการอยู่รอดของมันไม่มีการทำงานใดที่ทราบแน่ชัด

การค้นพบนี้ยังทำให้เกิดคำถามว่ายีนใดจำเป็นต้องอยู่ในเซลล์ขั้นต่ำเพื่อให้การคัดเลือกโดยธรรมชาติและวิวัฒนาการดำเนินต่อไป

ตั้งแต่ปี 2016 ทีม JCVI ได้เพิ่มยีนที่ไม่จำเป็นกลับเข้าไปเพื่อช่วยให้เซลล์เส้นเล็กที่สุดเติบโตและแบ่งตัวมากขึ้นเหมือนเซลล์ธรรมชาติ ก่อนที่พวกเขาจะทำเช่นนั้น JCVI-syn3.0 ได้เติบโตและแบ่งออกเป็นรูปร่างแปลก ๆ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ Glass และทีมงานของเขากำลังตรวจสอบเพื่อดูว่าเซลล์ขนาดเล็กที่สุดของพวกมันแบ่งวิธีที่เซลล์ในยุคแรกเริ่มทำหรือไม่

นักวิจัยพบว่าการกลายพันธุ์ที่เป็นประโยชน์ส่วนใหญ่ที่ได้รับการสนับสนุนจากการคัดเลือกโดยธรรมชาติในการทดลองนั้นอยู่ในยีนที่จำเป็น แต่การกลายพันธุ์ที่สำคัญครั้งหนึ่งอยู่ในยีนที่ไม่จำเป็นที่เรียกว่า ftsZซึ่งเป็นรหัสของโปรตีนที่ควบคุมการแบ่งเซลล์ เมื่อมันกลายพันธุ์เข้ามา เอ็ม. ไมคอยด์แบคทีเรียก็ขยายใหญ่ขึ้นถึง 80% น่าแปลกที่การกลายพันธุ์แบบเดียวกันในเซลล์ขั้นต่ำไม่ได้เพิ่มขนาดของมัน นั่นแสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์สามารถมีฟังก์ชั่นที่แตกต่างกันได้อย่างไรขึ้นอยู่กับบริบทของเซลล์เลนนอนกล่าว

ใน การศึกษาเสริมซึ่งได้รับการยอมรับจาก ไอไซแอนซ์ แต่ยังไม่ได้เผยแพร่ซึ่งมีกลุ่มนำโดย แบร์นฮาร์ด พัลส์สัน ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโกรายงานผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันจากการทดลองกับเซลล์ขนาดเล็กที่สุดชนิดเดียวกัน พวกเขาไม่พบ ftsZ การกลายพันธุ์ในเซลล์ขั้นต่ำที่พัฒนาแล้ว แต่พวกเขาพบการกลายพันธุ์ที่คล้ายกันในยีนอื่น ๆ ที่ควบคุมการแบ่งเซลล์ โดยเน้นประเด็นที่ว่ามีหลายวิธีในการบรรลุผลลัพธ์ทางชีวภาพ Palsson กล่าว

พวกเขาไม่ได้พิจารณาขนาดของเซลล์ แต่ตรวจสอบว่ายีนใดที่แสดงออกมาก่อน ระหว่าง และหลังตอนของวิวัฒนาการ พวกเขาสังเกตเห็น "การแลกเปลี่ยนความกลัวและความโลภ" ซึ่งเป็นแนวโน้มที่พบในแบคทีเรียตามธรรมชาติในการพัฒนาการกลายพันธุ์ของยีนที่จะช่วยให้มันเติบโตมากกว่าการกลายพันธุ์ที่จะผลิตโปรตีนซ่อมแซม DNA มากขึ้นเพื่อแก้ไขข้อผิดพลาด

ที่นี่คุณจะเห็นได้ว่า "การกลายพันธุ์มีแนวโน้มที่จะสะท้อนถึงกระบวนการของเซลล์ที่จำเป็นในการปรับปรุงการทำงาน" Palsson กล่าว

การแสดงให้เห็นว่าเซลล์ขนาดเล็กที่สุดสามารถพัฒนาได้เหมือนกับเซลล์ที่มีจีโนมที่เป็นธรรมชาติมากกว่านั้นเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากเป็นการตรวจสอบว่า “มันเป็นตัวแทนของชีวิตโดยทั่วไปได้ดีเพียงใด” Zia กล่าว สำหรับนักวิจัยหลายคน จุดรวมของเซลล์ขั้นต่ำคือทำหน้าที่เป็นแนวทางที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในการทำความเข้าใจเซลล์ธรรมชาติที่ซับซ้อนมากขึ้นและกฎเกณฑ์ที่เซลล์เหล่านั้นปฏิบัติตาม

การศึกษาอื่นๆ กำลังเริ่มตรวจสอบว่าเซลล์จำนวนน้อยตอบสนองต่อแรงกดดันตามธรรมชาติอย่างไร มีกลุ่มหนึ่งรายงานเข้ามา ไอไซแอนซ์ ในปี 2021 เซลล์ขนาดเล็กสามารถพัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะชนิดต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว เช่นเดียวกับแบคทีเรีย

การรู้ว่ายีนใดมีแนวโน้มที่จะกลายพันธุ์และนำไปสู่การดัดแปลงที่เป็นประโยชน์ สักวันหนึ่งอาจช่วยให้นักวิจัยออกแบบยาที่ทำหน้าที่ในร่างกายได้ดีขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ในการสร้างรูปแบบชีวิตสังเคราะห์ที่แข็งแกร่งซึ่งมีความสามารถที่แตกต่างกันมาก นักชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการและนักชีววิทยาสังเคราะห์จะต้องทำงานร่วมกัน “เพราะไม่ว่าคุณจะออกแบบมันมากแค่ไหน มันก็ยังคงเป็นชีววิทยา และชีววิทยาก็มีวิวัฒนาการ” Adamala กล่าว