Наблюдая за тем, как «минимальные» клетки восстанавливают утраченную форму, исследователи проверяют, может ли геном быть слишком простым для эволюции. Сохранить статью Прочитать позже
Новые исследования показывают, что минимальные клетки с наименьшим геномом, способные к росту и размножению, способны к эволюции. На иллюстрации изображена минимальная клетка в процессе деления.
Введение
Семь лет назад исследователи показали, что могут свести клетки к самым базовым элементам, создав форму жизни с минимальным геномом, которая всё ещё позволяла бы ей расти и делиться в лабораторных условиях. Но, избавившись от половины генетической нагрузки, эта «минимальная» клетка также утратила часть выносливости и адаптивности, которые естественная жизнь развивала миллиарды лет. Это заставило биологов задуматься, не было ли это сокращение односторонним: не оставили ли они клетки неспособными к эволюции, сократив их до самого необходимого, потому что они не смогли бы пережить изменение даже одного гена?
Теперь у нас есть доказательства того, что даже один из самых слабых и простейших самовоспроизводящихся организмов на планете способен адаптироваться. Всего за 300 дней эволюции в лабораторных условиях, что эквивалентно 40 000 человеческих лет, ничтожно малые клетки восстановили всю пожертвованную ими приспособленность, как недавно сообщила группа из Университета Индианы в журнале Nature. Исследователи обнаружили, что клетки реагировали на давление отбора примерно так же, как и крошечные бактерии, от которых они произошли. Другая исследовательская группа из Калифорнийского университета в Сан-Диего пришла к аналогичному выводу независимо в работе, принятой к публикации.
«Оказывается, жизнь, даже такая простая и жалкая, как минимальная клетка, гораздо более устойчива, чем мы думали», — сказала Кейт Адамала, биохимик и доцент Университета Миннесоты, не участвовавшая ни в одном из исследований. «В неё можно бросать камни, и она всё равно выживет». Даже в геноме, где каждый ген служит своей цели, и любое изменение, казалось бы, пагубно, эволюция формирует организмы, формируя их адаптивно.
«Это потрясающее достижение», — сказала Розанна Зия, физик из Университета Миссури, чьи исследования направлены на создание физической модели минимальной клетки, и которая не принимала участия в исследовании. Новая работа показала, что даже без каких-либо дополнительных ресурсов генома, по её словам, минимальные клетки могут повышать свою приспособленность за счёт случайных изменений в ключевых генах.
Эти минимальные клетки представляют собой штамм JCVI-syn3.0, разработанный в 2016 году путем сокращения синтетической версии крошечного генома паразитической бактерии Mycoplasma mycoides до самых основных элементов.
Новые эксперименты по эволюции начинают проливать свет на то, как могли эволюционировать мельчайшие, простейшие организмы, и как принципы эволюции объединяют все формы жизни, даже генетические новшества, разработанные в лабораториях. «Мы всё чаще видим доказательства того, что эта [минимальная клетка] — организм, который не является чем-то странным и непохожим на остальную жизнь на Земле», — сказал Джон Гласс, автор исследования в журнале Nature и руководитель группы синтетической биологии в Институте Дж. Крейга Вентера (JCVI) в Калифорнии, которая впервые сконструировала минимальную клетку.
А что, если мы «отпустим ситуацию на волю»?
Подобно тому, как физики XIX и XX веков использовали водород, простейший из всех атомов, для совершения основополагающих открытий о материи, синтетические биологи разрабатывали минимальные клетки для изучения основных принципов жизни. Эта цель была достигнута в 2016 году, когда Гласс и его коллеги создали минимальную клетку JCVI-syn3.0. Они смоделировали ее на основе Mycoplasma mycoides, паразитической бактерии, обитающей на козах, которая уже обходится очень маленьким геномом. В 2010 году группа сконструировала JCVI-syn1.0, синтетическую версию естественной бактериальной клетки. Используя ее в качестве руководства, они составили список генов, которые, как известно, являются необходимыми, собрали их в клетке дрожжей, а затем перенесли этот новый геном в близкородственную бактериальную клетку, из которой была удалена исходная ДНК.
Два года спустя на конференции в Новой Англии Джей Леннон, биолог-эволюционист из Индианского университета в Блумингтоне, слушал доклад Клайда Хатчисона, почётного профессора JCVI, возглавлявшего группу, создавшую минимальную клетку. После этого Леннон спросил его: «Что произойдёт, если дать этому организму свободу?» То есть, что произойдёт с минимальными клетками, если они подвергнутся давлению естественного отбора, как бактерии в дикой природе?
Для Леннона, как биолога-эволюциониста, этот вопрос был очевиден. Но после того, как он и Хатчисон обдумали его несколько минут, стало очевидно, что ответ неверный.
Минимальная клетка — это «тип жизни, искусственный тип жизни, но всё же жизнь», — сказал Леннон, потому что она соответствует самому базовому определению жизни как способности к размножению и росту. Следовательно, она должна реагировать на эволюционное давление так же, как гориллы, лягушки, грибы и все другие организмы. Но основная гипотеза заключалась в том, что упорядоченный геном может «ограничить способность этого организма к адаптивной эволюции», — сказал Леннон.
Однако никто не имел ни малейшего представления о том, что произойдёт на самом деле, поскольку исследователи, как правило, прилагали все усилия, чтобы предотвратить эволюцию даже самых минимальных клеток. Когда образцы клеток распределяются JCVI по примерно 70 лабораториям, которые сейчас с ними работают, они доставляются в первозданном виде и замороженными при температуре минус 80 градусов по Цельсию. Когда их достаёшь, кажется, что это их первый день на Земле, сказал Леннон: «Это совершенно новые клетки, которые не видели ни дня эволюции».
Вскоре после их встречи Хатчисон познакомил Леннона с Глассом, который передал образцы минимальных клеток своей команды в лабораторию Леннона в Индиане. Затем Леннон и Рой Могер-Райшер, его тогдашний аспирант, приступили к работе.
Тестирование обтекаемых ячеек
Они начали с эксперимента, направленного на измерение скорости мутаций в минимальных клетках. Они многократно переносили часть растущей популяции минимальных клеток в чашки Петри, что позволяло клеткам свободно расти без ограничивающих факторов, таких как конкуренция. Они обнаружили, что минимальная клетка мутировала со скоростью, сопоставимой со скоростью мутаций модифицированной M. mycoides, что является самым высоким показателем среди всех зарегистрированных бактериальных мутаций.
Мутации в двух организмах были довольно схожими, но исследователи заметили, что в минимальной клетке естественный мутационный сдвиг был преувеличен. В клетках M. mycoides мутация в 30 раз чаще приводила к замене аминокислот A или T в генетическом коде на аминокислоты G или C, чем наоборот. В минимальной клетке это было в 100 раз чаще. Вероятное объяснение заключается в том, что некоторые гены, удаляемые в процессе минимизации, обычно предотвращают эту мутацию.
Во второй серии экспериментов, вместо переноса небольшой группы клеток, исследователи переносили плотные популяции клеток в течение 300 дней и 2000 поколений. Это способствовало усилению конкуренции и естественному отбору, способствуя полезным мутациям и появлению генетических вариантов, которые в конечном итоге оказались во всех клетках.
Иллюстрация паразитической бактерии Mycoplasma mycoides. Её необычайно малый геном — результат миллионов лет эволюции.
Чтобы измерить приспособленность клеток, они вычисляли 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 численность 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 «заболела» клеткой, сказал Леннон. Однако к концу экспериментов минимальные клетки восстановили всю эту приспособленность. Они могли соперничать с бактериями-предками.
«Это меня просто потрясло», — сказал Энтони Веккьярелли, микробиолог из Мичиганского университета, не принимавший участия в исследовании. «Можно подумать, что если у вас есть только необходимые гены, то вы сильно ограничиваете возможности эволюции, которые… могут пойти в позитивном направлении».
Однако сила естественного отбора была очевидна: он быстро оптимизировал приспособленность даже у простейших автономных организмов, которые практически не обладали способностью к мутациям. Когда Леннон и Могер-Райшер скорректировали относительную приспособленность организмов, они обнаружили, что минимальные клетки эволюционировали на 39% быстрее, чем синтетические бактерии M. mycoides, из которых они произошли.
Компромисс между страхом и жадностью
По словам Веккьярелли, это исследование стало «невероятно вдохновляющим» первым шагом. Пока неясно, что произойдёт, если клетки продолжат эволюционировать: вернутся ли к ним некоторые гены или уровень сложности, утраченные в процессе минимизации? В конце концов, сама минимальная клетка до сих пор остаётся загадкой. Около 80 генов, необходимых для её выживания, не имеют известных функций.
Результаты также поднимают вопросы о том, какие гены должны остаться в минимальной клетке для продолжения естественного отбора и эволюции.
С 2016 года команда JCVI добавила несколько несущественных генов, чтобы минимальные клеточные линии росли и делились подобно естественным клеткам. До этого JCVI-syn3.0 рос и делился, принимая причудливые формы. Гласс и его команда исследуют это явление, чтобы выяснить, делятся ли их минимальные клетки так же, как и первичные клетки.
Исследователи обнаружили, что большинство полезных мутаций, благоприятствовавших естественному отбору в их экспериментах, находились в незаменимых генах. Но одна критическая мутация находилась в несущественном гене ftsZ, кодирующем белок, регулирующий деление клеток. Когда эта мутация произошла в M. mycoides, бактерия увеличилась на 80%. Любопытно, что та же мутация в минимальной клетке не увеличила её размер. Это показывает, как мутации могут выполнять разные функции в зависимости от клеточного контекста, сказал Леннон.
После 2000 поколений культивирования синтетические клетки M. mycoides увеличились в размерах (вверху), но клетки JCVI-syn3, имевшие урезанные версии генома, не увеличились (внизу)
После 2000 поколений культивирования синтетические клетки M. mycoides увеличились в размерах (слева), однако форма клеток JCVI-syn3, имевшая урезанные версии генома, этого не сделала (справа).
В дополнительном исследовании, принятом iScience, но пока не опубликованном, группа под руководством Бернхарда Палссона из Калифорнийского университета в Сан-Диего сообщила об аналогичных результатах экспериментов на варианте той же минимальной клетки. Они не обнаружили мутации ftsZ в полученных минимальных клетках, но обнаружили похожие мутации в других генах, управляющих делением клеток, что, по словам Палссона, подчёркивает, что существует множество способов достижения биологического результата.
Они не смотрели на размер клеток, но проверили, какие гены экспрессировались до, во время и после эволюционного эпизода. Они наблюдали «компромисс между страхом и жадностью» — тенденцию, также наблюдаемую у природных бактерий, к мутациям в генах, способствующим росту, а не к мутациям, способствующим выработке большего количества белков репарации 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 эволюционировать подобно клеткам с более естественным геномом, была важна, поскольку подтверждала, «насколько хорошо она отражает жизнь в целом», — сказал Зия. Для многих исследователей весь смысл минимальной клетки заключается в том, чтобы служить крайне полезным руководством для понимания более сложных естественных клеток и правил, которым они следуют.
Другие исследования также начинают изучать, как минимальные клетки реагируют на естественное давление. В 2021 году в журнале iScience группа исследователей сообщила, что минимальные клетки могут быстро вырабатывать устойчивость к различным антибиотикам, подобно бактериям.
Знание того, какие гены с большей вероятностью мутируют и приводят к полезным адаптациям, может когда-нибудь помочь исследователям разрабатывать препараты, которые со временем будут лучше выполнять свою функцию в организме. Чтобы создать надёжные синтетические формы жизни с совершенно разными способностями, эволюционные и синтетические биологи должны работать вместе, «потому что, сколько бы вы ни модифицировали, это всё равно биология, а биология эволюционирует», — сказал Адамала.
Источник: www.quantamagazine.org
