Навіть синтетичні форми життя з крихітним геномом можуть еволюціонувати | Журнал Quanta

Сім років тому дослідники показали, що вони можуть знищити клітини до їхніх найпростіших фундаментів, створивши форму життя з найменшим геномом, який все ще дозволяє їй рости та ділитися в лабораторії. Але позбувшись половини свого генетичного навантаження, ця «мінімальна» клітина також втратила частину витривалості та здатності до адаптації, які природне життя розвивалося протягом мільярдів років. Це змусило біологів задуматися, чи могло це скорочення бути односторонньою подорожжю: чи не залишили клітини нездатними до еволюції, оскільки вони не могли пережити зміну навіть ще одного гена, обрізаючи клітини до найнеобхіднішого?

Тепер у нас є докази того, що навіть один із найслабших, найпростіших самовідтворювальних організмів на планеті може адаптуватися. Всього за 300 днів еволюції в лабораторії, що еквівалентно 40,000 XNUMX людських років, мізерні клітини відновили всю свою придатність, якою вони пожертвували, команда з Університету Індіани недавно повідомила в журналі природа. Дослідники виявили, що клітини реагували на тиск відбору приблизно так само добре, як і крихітні бактерії, з яких вони були отримані. Друга дослідницька група з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго дійшла подібного висновку незалежно в роботі, яка була прийнята до публікації.

«Виявилося, що життя, навіть таке просте слабке життя, як мінімальна клітина, набагато надійніше, ніж ми думали», — сказав Кейт Адамала, біохімік і доцент Університету Міннесоти, який не брав участі в жодному дослідженні. «Ви можете кидати в нього каміння, і воно все одно виживе». Навіть у геномі, де кожен окремий ген служить певній меті, а зміна, здавалося б, буде згубною, еволюція формує організми адаптивно.

«Це приголомшливе досягнення», — сказав Розанна Зія, фізик з Університету Міссурі, чиї дослідження спрямовані на створення заснованої на фізиці моделі мінімальної клітини і який не брав участі в дослідженні. Нова робота показала, що навіть без будь-яких запасних ресурсів геному, за її словами, мінімальні клітини можуть підвищити свою придатність за допомогою випадкових змін у основних генах.

Нові еволюційні експерименти починають давати уявлення про те, як можуть еволюціонувати найменші, найпростіші організми — і як принципи еволюції об’єднують усі форми життя, навіть генетичні новинки, розроблені в лабораторіях. «Ми все частіше бачимо докази того, що ця [мінімальна клітина] — це організм, який не є чимось дивним і не схожим на решту життя на Землі», — сказав Джон Гласс, автор статті. природа дослідження та керівник групи синтетичної біології в Інституті Дж. Крейга Вентера (JCVI) у Каліфорнії, яка першою створила мінімальну клітину.

Що, якщо ми «розпустимо»?

Подібно до того, як фізики 19-го та 20-го століть використовували водень, найпростіший з усіх атомів, щоб зробити фундаментальні відкриття про матерію, синтетичні біологи розробляли мінімальні клітини для вивчення основних принципів життя. Ця мета була реалізована в 2016 році, коли Гласс і його колеги створив мінімальну клітину, JCVI-syn3.0. Вони моделювали це після Mycoplasma mycoides, паразитична бактерія, що живе в козах, яка вже обходиться дуже малим геномом. У 2010 році команда розробила JCVI-syn1.0, синтетичну версію природної бактеріальної клітини. Використовуючи його як орієнтир, вони склали список генів, які, як відомо, є важливими, зібрали їх у клітині дріжджів, а потім перенесли цей новий геном у тісно пов’язану бактеріальну клітину, яка була очищена від вихідної ДНК.

Через два роки на конференції в Новій Англії Джей Леннон, еволюційний біолог з Університету Індіани в Блумінгтоні, прослухав виступ від Клайд Хатчісон, почесний професор JCVI, який очолював команду, що розробляла мінімальну камеру. Пізніше Леннон запитав його: «Що станеться, коли ви відпустите цей організм?» Тобто, що станеться з мінімальними клітинами, якщо вони піддадуться тиску природного відбору, як бактерії в дикій природі?

Для Леннона як еволюційного біолога це питання було очевидним. Але після того, як вони з Хатчісоном поміркували над цим кілька хвилин, стало зрозуміло, що відповіді немає.

Мінімальна клітина «це тип життя — це штучний тип життя, але це все ще життя», — сказав Леннон, оскільки вона відповідає найосновнішому визначенню життя як чогось здатного відтворюватися та рости. Тому він повинен реагувати на еволюційний тиск так само, як це роблять горили, жаби, гриби та всі інші організми. Але основна гіпотеза полягала в тому, що обтічний геном може «калічити здатність цього організму адаптивно розвиватися», — сказав Леннон.

Однак ніхто гадки не мав, що станеться насправді, оскільки дослідники, як правило, дуже дбали про те, щоб мінімальна кількість клітин не розвивалася. Коли JCVI розповсюджує зразки клітин до будь-якої з приблизно 70 лабораторій, які зараз працюють з ними, вони доставляються незайманими та замороженими при температурі мінус 80 градусів за Цельсієм. Коли ви виймаєте їх, це ніби їхній перший день на Землі, сказав Леннон: «Це абсолютно нові клітини, які ніколи не бачили жодного дня еволюції».

Невдовзі після їхньої зустрічі Хатчісон зв’язав Леннона з Глассом, який поділився зразками мінімальних клітин своєї команди з лабораторією Леннона в Індіані. Тоді Леннон і Рой Могер-Райшер, його аспірант на той час, взялися за роботу.

Тестування обтічних клітин

Вони почали з експерименту, спрямованого на вимірювання рівня мутації в мінімальних клітинах. Вони неодноразово переносили шматок зростаючої мінімальної популяції клітин у чашки Петрі, що дозволяло клітинам рости без обмежувальних впливів, таких як конкуренція. Вони виявили, що мінімальна клітина мутувала зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю сконструйованої M. mycoides — що є найвищим серед усіх зареєстрованих показників бактеріальних мутацій.

Мутації в двох організмах були досить схожими, але дослідники помітили, що природні мутаційні відхилення були перебільшені в мінімальній клітині. В M. mycoides клітин, мутація мала в 30 разів більше шансів змінити A або T у генетичному коді на G або C, ніж навпаки. У мінімальній камері це було в 100 разів більш імовірним. Ймовірне пояснення полягає в тому, що деякі гени, видалені під час процесу мінімізації, зазвичай запобігають цій мутації.

У другій серії експериментів дослідники перенесли щільну популяцію клітин на 300 днів і 2,000 поколінь, а не на невелику групу клітин. Це сприяло більшій конкуренції та природному відбору, що сприяло корисним мутаціям і появі генетичних варіантів, які зрештою опинилися у всіх клітинах.

Щоб виміряти придатність клітин, вони розрахували максимальну швидкість росту кожні 65-130 поколінь. Чим швидше клітини росли, тим більше дочірніх клітин вони виробляли для наступного покоління. Щоб порівняти придатність розвинених і нерозвинених мінімальних клітин, дослідники змусили їх конкурувати з родовими бактеріями. Вони вимірювали кількість клітин на початку експерименту та через 24 години.

Вони підрахували, що вихідна мінімальна клітина втратила 53% своєї відносної придатності разом із несуттєвими генами. За словами Леннона, мінімізація «зробила клітину хворою». Проте наприкінці експериментів мінімальні клітини повернули всю цю придатність. Вони могли б протистояти бактеріям предків.

«Це мене збило з розуму», — сказав Ентоні Веккіареллі, мікробіолог з Мічиганського університету, який не брав участі в дослідженні. «Можна подумати, що якщо у вас є лише основні гени, тепер ви дійсно обмежили кількість еволюції, яка… може йти в позитивному напрямку».

Проте сила природного відбору була очевидна: він швидко оптимізував придатність навіть у найпростішому автономному організмі, який майже не мав гнучкості для мутацій. Коли Леннон і Могер-Райшер зробили поправку на відносну придатність організмів, вони виявили, що мінімальні клітини еволюціонували на 39% швидше, ніж синтетичні. M. mycoides бактерії, з яких вони були отримані.

Компроміс між страхом і жадібністю

За словами Веккіареллі, це дослідження було першим кроком, який «спонукав до роздумів». Невідомо, що сталося б, якби клітини продовжували розвиватися: чи повернули б вони частину генів або складності, які вони втратили в процесі мінімізації? Зрештою, мінімальна комірка сама по собі досі залишається трохи загадкою. Близько 80 генів, необхідних для його виживання, не мають відомої функції.

Висновки також викликають питання про те, які гени повинні залишатися в мінімальній клітині для природного відбору та еволюції.

З 2016 року команда JCVI додала кілька несуттєвих генів, щоб допомогти мінімальним клітинним лініям рости та ділитися більше, як природні клітини. До того, як вони це зробили, JCVI-syn3.0 ріс і ділився на дивні форми, явище, яке Гласс і його команда досліджують, щоб побачити, чи їхні мінімальні клітини діляться так, як це робили первинні клітини.

Дослідники виявили, що більшість корисних мутацій, яким сприяє природний відбір у їхніх експериментах, були в основних генах. Але одна критична мутація була в несуттєвому гені під назвою ftsZ, який кодує білок, який регулює поділ клітин. Коли він мутував M. mycoides, бактерія зросла на 80% більше. Цікаво, що та сама мутація в мінімальній клітині не збільшила її розмір. Це показує, як мутації можуть виконувати різні функції залежно від клітинного контексту, сказав Леннон.

В додаткове дослідження, яка була прийнята iScience але ще не опубліковано, група під керівництвом Бернхард Палссон в Університеті Каліфорнії в Сан-Дієго повідомили про подібні результати експериментів на варіанті тієї ж мінімальної клітини. Вони не знайшли ftsZ мутації в їхніх еволюційних мінімальних клітинах, але вони виявили подібні мутації в інших генах, які керують поділом клітин, підкреслюючи те, що існує кілька способів досягти біологічного результату, сказав Палссон.

Вони не дивилися на розмір клітини, але перевіряли, які гени експресувалися до, під час і після епізоду еволюції. Вони помітили «компроміс між страхом і жадібністю», тенденцію, яку також спостерігають у природних бактерій, розвивати мутації в генах, які сприятимуть росту, а не мутації, які вироблятимуть більше білків для відновлення ДНК для виправлення помилок.

Тут ви можете побачити, що «мутації, як правило, відображають клітинні процеси, необхідні для покращення функції», — сказав Палссон.

Демонстрація того, що мінімальна клітина може еволюціонувати, як клітини з більш природним геномом, була важливою, оскільки вона підтвердила, «наскільки добре вона представляє життя в цілому», сказала Зія. Для багатьох дослідників суть мінімальної клітини полягає в тому, щоб служити надзвичайно корисним посібником для розуміння більш складних природних клітин і правил, яких вони дотримуються.

Інші дослідження також починають досліджувати, як мінімальні клітини реагують на природний тиск. Група повідомила в iScience у 2021 році мінімальні клітини можуть швидко розвивати стійкість до різних антибіотиків, як і бактерії.

Знання того, які гени з більшою ймовірністю мутують і призводять до корисних адаптацій, колись може допомогти дослідникам розробити ліки, які з часом покращуватимуть те, що вони роблять в організмі. Щоб побудувати надійні синтетичні форми життя, які мають дуже різні здібності, еволюційні біологи та синтетичні біологи повинні працювати разом, «оскільки б ви не створювали це, це все одно біологія, і біологія розвивається», сказав Адамала.