Küçücük Bir Genomla Sentetik Yaşam Formları Bile Evrimleşebilir | Quanta Dergisi

Yedi yıl önce araştırmacılar, hücreleri en temel özelliklerine kadar soyup, laboratuvarda büyümesine ve bölünmesine izin veren en küçük genoma sahip bir yaşam formu yaratabileceklerini gösterdiler. Ancak bu "minimal" hücre, genetik yükünün yarısını atarken, aynı zamanda doğal yaşamın milyarlarca yıl boyunca evrimleştiği dayanıklılık ve uyum sağlama yeteneğinin bir kısmını da kaybetti. Bu, biyologların indirgemenin tek yönlü bir yolculuk olup olmadığını merak etmelerine neden oldu: Hücreleri temel özelliklerine kadar budayarak, bir gen değişikliğinden bile daha fazla hayatta kalamayacakları için hücreleri evrimleşemeyecek durumda mı bırakmışlardı?

Artık gezegendeki en zayıf, en basit kendi kendini kopyalayan organizmalardan birinin bile uyum sağlayabileceğine dair kanıtımız var. Indiana Üniversitesi'nden bir ekip, laboratuvarda sadece 300 günlük evrim sırasında, yani 40,000 insan yılına eşdeğer bir kuşakta, çok küçük hücreler feda ettikleri tüm zindeliği geri kazandılar. Son zamanlarda rapor dergisinde Tabiat. Araştırmacılar, hücrelerin, türetildikleri minik bakteriler kadar seçilim baskılarına da yanıt verdiğini buldular. San Diego'daki California Üniversitesi'ndeki ikinci bir araştırma grubu, yayınlanmak üzere kabul edilen çalışmalarında bağımsız olarak benzer bir sonuca vardı.

"Yaşamın, minimal bir hücre kadar basit, pısırık bir yaşamın bile düşündüğümüzden çok daha sağlam olduğu ortaya çıktı" dedi. Kate Adamala, her iki çalışmada da yer almayan Minnesota Üniversitesi'nde bir biyokimyacı ve yardımcı doçent. "Ona taş atabilirsin ve yine de hayatta kalacak." Her bir genin bir amaca hizmet ettiği ve bir değişikliğin görünüşte zararlı olacağı bir genomda bile, evrim organizmaları uyum sağlayacak şekilde şekillendirir.

"Muhteşem bir başarı" dedi Roseanna Zia, araştırması minimal bir hücrenin fizik tabanlı bir modelini oluşturmayı amaçlayan ve çalışmaya dahil olmayan Missouri Üniversitesi'nden bir fizikçi. Yeni çalışma, yedeklenecek herhangi bir genom kaynağı olmasa bile, minimal hücrelerin temel genlerdeki rastgele değişikliklerle uygunluklarını artırabileceğini gösterdi.

Yeni evrim deneyleri, en küçük, en basit organizmaların nasıl evrimleşebileceğine ve evrim ilkelerinin tüm yaşam biçimlerini, hatta laboratuvarlarda geliştirilen genetik yenilikleri nasıl birleştirdiğine dair içgörüler sağlamaya başlıyor. Yazar John Glass, "Gittikçe artan bir şekilde, bu [minimal hücrenin] tuhaf bir şey olmadığı ve Dünya'daki yaşamın geri kalanından farklı bir organizma olduğuna dair kanıtlar görüyoruz" dedi. Tabiat Kaliforniya'daki J. Craig Venter Enstitüsü'ndeki (JCVI) sentetik biyoloji grubunun lideri ve minimal hücreyi ilk kez tasarlayan kişi.

Ya 'Bırakırsak'?

Nasıl 19. ve 20. yüzyıl fizikçileri atomların en basiti olan hidrojeni madde hakkında ufuk açıcı keşifler yapmak için kullandıysa, sentetik biyologlar da yaşamın temel ilkelerini incelemek için minimal hücreler geliştiriyorlar. Bu hedef, 2016 yılında Glass ve meslektaşlarının minimal bir hücre üretti, JCVI-syn3.0. Ondan sonra modellediler mikoplazma mikoidesleri, zaten çok küçük bir genomla idare eden, keçide yaşayan parazitik bir bakteri. 2010 yılında ekip, doğal bakteri hücresinin sentetik bir versiyonu olan JCVI-syn1.0'ı tasarladı. Bunu bir kılavuz olarak kullanarak, gerekli olduğu bilinen genlerin bir listesini çıkardılar, bunları bir maya hücresinde bir araya getirdiler ve ardından bu yeni genomu, orijinal DNA'sı boşaltılmış, yakından ilişkili bir bakteri hücresine aktardılar.

İki yıl sonra New England'daki bir konferansta, jay lennonIndiana University Bloomington'da evrimsel bir biyolog olan Dr. Clyde Hutchison, JCVI'da ekibin minimal hücreyi tasarlamasına liderlik eden fahri bir profesör. Daha sonra Lennon, "Bu organizmayı serbest bırakırsan ne olur?" diye sordu. Yani en küçük hücreler, vahşi doğada yaşayan bakteriler gibi doğal seçilim baskılarına maruz kalsalardı ne olurdu?

Evrimsel bir biyolog olarak Lennon için soru açıktı. Ama o ve Hutchison birkaç dakika düşündükten sonra, cevabın öyle olmadığı anlaşıldı.

Lennon, "minimal hücre bir yaşam türüdür - yapay bir yaşam türüdür, ancak yine de yaşamdır" dedi, çünkü üreyebilen ve büyüyebilen bir şey olarak yaşamın en temel tanımını yerine getiriyor. Bu nedenle tıpkı goriller, kurbağalar, mantarlar ve diğer tüm organizmalar gibi evrimsel baskılara yanıt vermelidir. Ancak Lennon, kapsayıcı hipotezin, aerodinamik genomun "bu organizmanın adaptif olarak evrimleşme yeteneğini sakatlayabileceği" idi.

Bununla birlikte, hiç kimsenin gerçekte ne olacağına dair bir fikri yoktu, çünkü araştırmacılar genellikle minimal hücrelerin evrimleşmesini engellemek için büyük özen gösterdiler. Hücre örnekleri, JCVI tarafından şu anda onlarla çalışan yaklaşık 70 laboratuvardan herhangi birine dağıtıldığında, bozulmamış ve eksi 80 derecede donmuş olarak teslim ediliyor. Onları çıkardığınızda, Dünya'daki ilk günleri gibi, Lennon şöyle dedi: "Bunlar, bir gün bile evrim görmemiş yepyeni hücreler."

Karşılaşmalarından kısa bir süre sonra Hutchison, Lennon'ı, ekibinin minimal hücrelerinin örneklerini Lennon'ın Indiana'daki laboratuvarıyla paylaşan Glass ile temasa geçirdi. Sonra Lennon ve o sırada yüksek lisans öğrencisi olan Roy Moger-Reischer işe koyuldu.

Aerodinamik Hücreleri Test Etme

Minimal hücrelerdeki mutasyon oranlarını ölçmeyi amaçlayan bir deneyle başladılar. Büyüyen minimal hücre popülasyonunun bir şeridini tekrar tekrar petri kaplarına aktardılar, bu da hücreleri rekabet gibi kısıtlayıcı etkiler olmadan büyümeleri için serbest bıraktı. Minimal hücrenin, tasarlanmış hücreninkiyle karşılaştırılabilir bir oranda mutasyona uğradığını buldular. M. mycoides - kaydedilen herhangi bir bakteri mutasyon oranının en yükseğidir.

İki organizmadaki mutasyonlar oldukça benzerdi, ancak araştırmacılar minimal hücrede doğal bir mutasyon yanlılığının abartıldığını fark ettiler. İçinde M. mycoides hücrelerde, bir mutasyonun genetik koddaki bir A veya T'yi bir G veya bir C ile değiştirme olasılığı, tersinden 30 kat daha fazlaydı. Minimal hücrede, 100 kat daha olasıydı. Muhtemel açıklama, küçültme işlemi sırasında çıkarılan bazı genlerin normalde bu mutasyonu önlemesidir.

İkinci bir dizi deneyde, araştırmacılar küçük bir hücre grubunu getirmek yerine, 300 gün ve 2,000 nesil boyunca yoğun hücre popülasyonları aktardılar. Bu, daha fazla rekabetin ve doğal seçilimin oluşmasına izin vererek, faydalı mutasyonları ve sonunda tüm hücrelerde son bulan genetik varyantların ortaya çıkmasını destekledi.

Hücrelerin uygunluğunu ölçmek için her 65 ila 130 nesilde bir maksimum büyüme oranlarını hesapladılar. Hücreler ne kadar hızlı büyürse, bir sonraki nesil için o kadar çok yavru hücre ürettiler. Araştırmacılar, evrimleşmiş ve gelişmemiş minimal hücrelerin uygunluğunu karşılaştırmak için onları ata bakterilere karşı rekabet ettirdi. Deneyin başlangıcında ve 24 saat sonra hücrelerin ne kadar bol olduğunu ölçtüler.

Orijinal minimal hücrenin, gerekli olmayan genleriyle birlikte göreli uygunluğunun %53'ünü kaybettiğini hesapladılar. Lennon, küçültmenin "hücreyi hasta ettiğini" söyledi. Yine de deneylerin sonunda, minimal hücreler tüm bu uyumu geri geliştirmişti. Atadan kalma bakterilere karşı ayak parmaklarına gidebilirler.

"Aklımı başımdan aldı" dedi Anthony Vecchiarelli, Michigan Üniversitesi'nde çalışmaya dahil olmayan bir mikrobiyolog. "Yalnızca temel genlere sahipseniz, şimdi olumlu yönde ilerleyebilecek evrim miktarını gerçekten sınırlamış olduğunuzu düşünürsünüz."

Yine de doğal seçilimin gücü açıktı: Mutasyon için esnekliği çok az olan veya hiç olmayan en basit otonom organizmada bile uygunluğu hızla optimize etti. Lennon ve Moger-Reischer organizmaların göreli uygunluğunu ayarladıklarında, minimal hücrelerin sentetik hücrelerden %39 daha hızlı evrimleştiğini buldular. M. mycoides türetildiği bakterilerdir.

Korku-Açgözlülük Ticareti

Vecchiarelli, çalışmanın "inanılmaz derecede düşündürücü" bir ilk adım olduğunu söyledi. Hücreler gelişmeye devam ederse ne olacağı belirsiz: En aza indirme sürecinde kaybettikleri bazı genleri veya karmaşıklığı geri kazanacaklar mı? Ne de olsa, minimal hücrenin kendisi hala biraz muamma. Hayatta kalması için gerekli olan genlerin yaklaşık 80'inin bilinen bir işlevi yoktur.

Bulgular aynı zamanda, doğal seçilim ve evrimin ilerlemesi için hangi genlerin minimal hücrede kalması gerektiğine dair soruları da gündeme getiriyor.

2016'dan bu yana JCVI ekibi, minimal hücre hatlarının büyümesine ve daha çok doğal hücreler gibi bölünmesine yardımcı olmak için bazı gerekli olmayan genleri geri ekledi. Bunu yapmadan önce, JCVI-syn3.0 büyüyor ve garip şekillere ayrılıyordu; Glass ve ekibinin, minimal hücrelerinin ilkel hücreler gibi bölünüp bölünmediğini görmek için araştırdığı bir olgu.

Araştırmacılar, deneylerinde doğal seçilimin tercih ettiği faydalı mutasyonların çoğunun temel genlerde olduğunu buldular. Ancak kritik bir mutasyon, gerekli olmayan bir gendeydi. ftsZ, hücre bölünmesini düzenleyen bir proteini kodlayan. Mutasyona uğradığında M. mycoides, bakteri %80 büyüdü. İlginç bir şekilde, minimal hücredeki aynı mutasyon onun boyutunu büyütmedi. Lennon, bunun, hücresel bağlama bağlı olarak mutasyonların nasıl farklı işlevlere sahip olabileceğini gösterdiğini söyledi.

İçinde tamamlayıcı çalışmatarafından kabul edilen iBilim liderliğindeki bir grup, ancak henüz yayınlanmadı bernhard palsson California Üniversitesi'nde San Diego, aynı minimal hücrenin bir varyantı üzerinde yapılan deneylerden benzer sonuçlar bildirdi. bulamadılar ftsZ Palsson, evrimleşmiş minimal hücrelerinde mutasyon olduğunu, ancak hücre bölünmesini yöneten diğer genlerde benzer mutasyonlar bulduklarını ve biyolojik bir sonuca ulaşmanın birçok yolu olduğunu vurguladıklarını söyledi.

Hücre boyutuna bakmadılar, ancak evrim öncesinde, sırasında ve sonrasında hangi genlerin ifade edildiğini kontrol ettiler. Doğal bakterilerde de görülen, hataları düzeltmek için daha fazla DNA onarım proteini üretecek mutasyonlar yerine büyümesine yardımcı olacak genlerde mutasyonlar geliştirme eğilimi olan bir "korku-açgözlülük değiş tokuşu" gözlemlediler.

Palsson, burada "mutasyonların bir işlevi iyileştirmek için gereken hücresel süreçleri yansıtma eğiliminde olduğunu" görebilirsiniz.

Zia, minimal hücrenin daha doğal bir genoma sahip hücreler gibi gelişebileceğini göstermenin önemli olduğunu, çünkü "genel olarak yaşamı ne kadar iyi temsil ettiğini" doğruladığını söyledi. Birçok araştırmacı için, minimal bir hücrenin tüm amacı, daha karmaşık doğal hücreleri ve izledikleri kuralları anlamak için kritik derecede yararlı bir kılavuz olarak hizmet etmektir.

Diğer çalışmalar da minimal hücrelerin doğal baskılara nasıl tepki verdiğini araştırmaya başlıyor. bildirilen bir grup iBilim 2021'de minimal hücreler, tıpkı bakteriler gibi farklı antibiyotiklere karşı hızla direnç geliştirebilir.

Hangi genlerin mutasyona uğrama olasılığının daha yüksek olduğunu ve yararlı adaptasyonlara yol açtığını bilmek, bir gün araştırmacıların vücutta yaptıklarında zamanla daha iyi hale gelen ilaçlar tasarlamalarına yardımcı olabilir. Adamala, çok farklı yeteneklere sahip güçlü sentetik yaşam formları oluşturmak için evrimci biyologlar ve sentetik biyologların birlikte çalışması gerektiğini, "çünkü ne kadar mühendislik yaparsanız yapın, bu yine de biyoloji ve biyoloji evrimleşiyor" dedi.