Отдельные клетки превращаются в крупные многоклеточные формы всего за два года

Исследователи обнаружили, что для быстрого превращения одноклеточных дрожжей в сложные многоклеточные организмы достаточно среды, благоприятствующей их скоплению. Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Для человека доминирующей формой жизни на Земле является многоклеточная. Эти соборы из плоти, целлюлозы или хитина обычно формируются в результате сложной, бесконечно повторяющейся программы развития: одна микроскопическая клетка делится, затем делится снова и снова, занимая своё место в формирующихся тканях, пока не появится слон или секвойя там, где их раньше не было.

По крайней мере 20 раз в истории жизни — а возможно, и в несколько раз чаще — одноклеточные организмы совершали скачок к многоклеточности, эволюционируя, чтобы создать формы, более крупные, чем у их предков. В немногих таких случаях многоклеточность достигла апогея, производя сложные организмы, известные как растения, животные, грибы и некоторые виды водорослей. В этих формах жизни клетки сформировали себя в ткани с различными функциями — клетки сердечной мышцы и клетки кровеносного русла, клетки, которые поддерживают стебель растения пшеницы, клетки, которые фотосинтезируют. Некоторые клетки передают свои гены следующему поколению, зародышевые клетки, такие как яйцеклетки и сперматозоиды, а затем есть все остальные, соматические клетки, которые поддерживают зародышевую линию в ее стремлении к саморазмножению.

Но по сравнению с весьма успешной простотой одноклеточной жизни с её мантрой «ешь, делись, повторяйся», многоклеточность кажется запутанной и полной опасных обязательств. Вопросы о том, какие обстоятельства могли побудить организмы сделать этот поворот на Земле миллионы лет назад — и не один раз, а много раз, — будоражат умы учёных — от специалистов по теории игр и палеонтологов до биологов, изучающих одноклеточные организмы в лабораторных условиях.

Биолог Уильям Рэтклифф из Технологического института Джорджии и его коллеги сообщают, что за почти два года эволюции им удалось добиться того, что одноклеточные дрожжи разрослись в многоклеточные скопления огромных размеров, превратившись из микроскопических в разветвлённые структуры, видимые невооружённым глазом. Полученные результаты иллюстрируют, как может происходить такой переход, и предполагают проведение интересных будущих экспериментов, призванных выяснить, развиваются ли в этих структурах дифференцировки — начинают ли клетки играть специализированные роли в драме совместной жизни.

Стимулы быть снежинками

Почти десять лет назад учёные, изучающие многоклеточность, были в восторге от эксперимента, проведённого Рэтклиффом, Майклом Травизано и их коллегами из Миннесотского университета. Рэтклифф, работавший над докторской диссертацией о кооперации и симбиозе у дрожжей, обсуждал с Травизано многоклеточность, и они задавались вопросом, возможно ли превратить дрожжи в многоклеточные организмы. Внезапно они взяли пробирки с дрожжевой культурой, встряхнули их и отобрали те, которые быстрее всего оседали на дно, чтобы посеять новую культуру, и так повторялось снова и снова в течение 60 дней.

Эта простая процедура, как они позже описали в Трудах Национальной академии наук, быстро привела к образованию крошечных скоплений — дрожжей, которые эволюционировали, чтобы оставаться прикрепленными друг к другу, чтобы лучше выдерживать селекционное давление, оказываемое учёными. Впоследствии исследователи установили, что из-за одной мутации в гене ACE2, факторе транскрипции, клетки не распадались после деления, что делало их тяжелее и позволяло им быстрее тонуть.

Это изменение в клетках происходило быстро и неоднократно. Менее чем через 30 переносов в одной из пробирок наблюдалось подобное слипание; через 60 переносов это происходило во всех пробирках. Исследователи назвали эти клетки «снежинковыми дрожжами» по разветвленным формам, которые они наблюдали под микроскопом.

Дрожжи «Снежинка» начинались как побочный проект, но выглядели многообещающим направлением для исследований. «С тех пор я посвятил этому 10 лет», — сказал Рэтклифф. Работа привлекла к нему таких коллег, как Эрик Либби, биолог-математик из Университета Умео в Швеции, и Мэтью Херрон, научный сотрудник из Технологического института Джорджии, где Рэтклифф сейчас занимает должность профессора. Он присоединился к разнообразной экосистеме исследователей, пытающихся понять, как возникла многоклеточная жизнь.

Нам, как обширной клеточной архитектуре, легко принять как должное, что многоклеточность — безусловное преимущество. Но, насколько мы можем судить по окаменелостям, жизнь, по-видимому, была радостно одноклеточной в течение своего первого миллиарда лет. И даже сегодня на планете гораздо больше одноклеточных организмов, чем многоклеточных. Совместное существование имеет серьёзные недостатки: судьба клетки становится связанной с судьбой окружающих её клеток, поэтому, если они умирают, может умереть и она. И если клетка действительно становится частью многоклеточного коллектива, она может оказаться соматической, а не половой, что означает, что она жертвует возможностью передавать свои гены напрямую через размножение.

Есть также вопросы конкуренции. «Клетки одного вида, как правило, конкурируют за ресурсы», — сказал Гай Купер, теоретик из Оксфордского университета. «Когда вы объединяете их вместе, эта конкуренция за ресурсы становится ещё сильнее. Это большие затраты… поэтому для эволюции многоклеточности требуется преимущество, равное или большее».

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

Одним из стимулов может быть то, что хищникам сложнее съесть более крупные группы клеток. Независимые исследования Роберты Фишер из Амстердамского свободного университета в 2015 году и Стефании Капсетаки из Оксфорда в 2019 году показали, что водоросли и бактерии реагируют на микроскопических хищников, образуя группы. Херрон и его коллеги в 2019 году показали, что эта адаптивная многоклеточность у водорослей не зависит от восстановления какого-либо скрытого предкового признака: это полностью изначальная, эволюционно развившаяся адаптация.

Другим возможным стимулом к многоклеточности может быть то, что организмы лучше передвигаются или лучше добывают корм в группе при определённых условиях. Если это так, пояснил Купер, «это приводит к компромиссу между жизнеспособностью и плодовитостью, в том смысле, что вы повышаете свою выживаемость ценой снижения репродуктивности, поскольку вы конкурируете за ресурсы».

Некоторые водоросли могут переключаться между многоклеточными группами и отдельными клетками при изменении окружающей среды. Хоанофлагелляты, ближайшие одноклеточные родственники животных, также могут выбирать действия, которые делают их странно многоклеточными. Тибо Брюне, биолог-эволюционист из Института Пастера, вспоминает семинар в Кюрасао, где он и его коллеги собирали воду у берега, чтобы проверить ее на хоанофлагелляты, и поздно вечером, после ужина, заметили, что в их образце что-то движется. Это был новый вид хоанофлагеллят, которые объединились в чашеобразную форму и выворачивались наизнанку, чтобы двигаться. «Было завораживающе видеть, как эта штука просто деформируется. … У нее было это сложное коллективное поведение, которое делало ее почти похожей на животное», — сказал Брюне. «Можно было почти ощутить этот переход из мира микробов в мир животных».

Но для клеток большинства многоклеточных существ выбора нет — либо многоклеточность, либо смерть. «Это каким-то образом становится дорогой с односторонним движением», — сказал Купер. «И разделение труда, как ожидается, сыграет важную роль в этом переходе». Как только некоторые клетки начинают выполнять новую роль, жертвуя собственным репродуктивным успехом ради повышения репродуктивного успеха своих соседей, вычислительные модели предполагают, что жизнь в группе должна обеспечивать преимущества в эффективности, чтобы такой образ жизни имел шанс на выживание. Необходимые для успеха параметры должны были быть соблюдены в прошлом, но как именно?

Когда Рэтклифф начал свою многолетнюю экспериментальную работу по эволюции, он сочетал интерес теоретика к множеству возможных сценариев с любопытством биолога о том, что будет делать реальный живой организм, находясь на пределе своих возможностей. Он также размышлял об одном из самых известных эволюционных экспериментов, начатом Ричардом Ленски более 30 лет назад: 12 колоний E. coli в лаборатории Ленски поддерживаются с 1988 года. За эти годы они претерпели удивительные изменения: например, в 2003 году Ленски и его коллеги обнаружили, что одна из популяций развила способность переваривать цитрат, чего ранее не наблюдалось у E. coli.

Рэтклифф задался вопросом, что произойдёт со снежинками-дрожжами, если их вырастить так долго: достигнут ли они в конечном итоге больших размеров? Приведёт ли это к дифференциации?

Снежинки-дрожжи легко становились многоклеточными, но их скопления оставались микроскопическими, несмотря на все усилия Рэтклиффа. Годами ему не удавалось добиться прогресса, и он отдаёт должное Озану Боздагу, исследователю из Технологического института Джорджии, который был постдоком в лаборатории Рэтклиффа, за то, что он прорвался сквозь эту стену.

Жизнь без кислорода

Решающим фактором оказался кислород. Вернее, его недостаток.

Кислород может быть очень полезен для живых организмов, поскольку клетки могут использовать его для расщепления сахаров, вырабатывая огромное количество энергии. При его недостатке клетки вынуждены сбраживать сахара, что приводит к меньшему выходу полезной энергии. Всё это время Рэтклифф выращивал дрожжи с использованием кислорода. Боздаг предложил выращивать некоторые культуры без него.

Боздаг начал селекционные эксперименты с тремя различными группами снежинковых дрожжей, две из которых могли использовать кислород, а одна из-за мутации не могла. Каждая группа состояла из пяти генетически идентичных пробирок, которые Боздаг поместил в шейкер. Дрожжи круглосуточно встряхивались со скоростью 225 оборотов в минуту. Раз в день он давал им осесть на столешнице в течение трех минут, затем использовал содержимое дна пробирки для получения свежих культур. Затем они возвращались в шейкер. Каждый день в 2020 году и начале 2021 года, даже во время закрытия лабораторий из-за пандемии COVID-19, Боздаг присутствовал там, имея специальное разрешение, предоставленное университетом, и проводил селекцию дрожжей.

В течение первых 100 дней размеры кластеров во всех 15 трубках удвоились. Затем они практически стабилизировались примерно на 250-м дне, когда размеры двух трубок, не потреблявших кислород, снова начали постепенно расти. Примерно на 350-й день Боздаг заметил что-то в одной из этих трубок. Там были кластеры, которые он мог видеть невооруженным глазом. «Как эволюционный биолог… вы думаете, что это случайность. Каким-то образом они стали большими, но в долгосрочной перспективе они проиграют мелким — таково моё мнение», — сказал он. «В то время я не обсуждал это с Уиллом».

Но затем кластеры появились и во второй пробирке. Примерно на 400-й день три другие пробирки с мутантами, не способными использовать кислород, активизировались, и вскоре во всех пяти пробирках появились массивные структуры, достигающие внушительных размеров примерно в 20 000 раз больше первоначального. Боздаг начал фотографировать кластеры камерой своего телефона. Микроскоп больше не понадобился.

Почему зависимость от кислорода, по-видимому, сдерживала расширение дрожжевых кластеров? Кислород диффундирует через клетки с фиксированной скоростью, поэтому по мере роста кластеров кислород может достигать внутренних клеток лишь медленно, если вообще может. Хотя более крупные кластеры имели преимущество в выживании в этом эксперименте, привлекательность кислорода была настолько привлекательной для дрожжей, что они ограничивали размер своих кластеров, а не отказывались от него. Для кислородонезависимых мутантов, которые получали энергию за счёт брожения, не было никаких препятствий для роста.

Но размер был не единственным различием в кластерах. Когда команда рассмотрела большие кластеры под микроскопом, стало ясно, что дрожжи изменились. Клетки стали более вытянутыми, и хотя первые кластеры дрожжей-снежинок легко разделялись — их сцепление составляло одну сотую прочности желатина, — большие кластеры были гораздо более прочными. «Они эволюционируют из этого действительно хрупкого материала в нечто, обладающее материальными свойствами дерева», — сказал Рэтклифф. «Они становятся как минимум в 10 000 раз прочнее». Ветви снежинок также переплетались друг с другом, так что даже когда тряска разрывала связи, кусочки оставались вместе, опутанные большей массой своих собратьев. С биофизической точки зрения это говорит о том, что одноклеточный организм может эволюционировать, чтобы поддерживать физическую целостность большего размера.

Это интригует, поскольку, как пояснил Купер, предполагалось, что большой размер и дифференциация идут рука об руку. Четырнадцать лет назад биолог-эволюционист Дж. Т. Боннер отметил, что чем крупнее многоклеточный организм, тем больше типов клеток он обычно имеет. Он выдвинул гипотезу, что больший размер требует увеличения сложности. Идея заключается в том, что по мере роста организмов у них появляется больше разнообразных потребностей, которые необходимо удовлетворять. «Это может стимулировать разделение труда», — сказал Купер, отметив при этом, что так может быть не всегда.

Итак, вы видите, как больший размер может катализировать изменения. Представьте себе комок снежинок-дрожжей, становящийся всё больше и больше с каждым делением клетки. Внешние ветви подвергаются воздействию питательных веществ и опасностей внешнего мира. Ветви глубоко внутри кластера испытывают иной опыт; для них питательных веществ меньше, а физические нагрузки могут быть больше. Что, если клетки внутри начнут вести себя иначе, чем те, что снаружи? Они могут изменить свой метаболизм, чтобы довольствоваться меньшим количеством. Они могут отрастить более прочные клеточные стенки, чтобы противостоять давлению, как клетки в экспериментах лаборатории Рэтклиффа. Или они могут развить сильно разветвлённые каналы, которые доставляют питательные вещества глубже в кластер, — рудиментарную кровеносную систему. Различия могут проникнуть в поведение и свойства клеток в отдалённых областях большого кластера.

Представьте себе, что каждый раз, когда формируется новый кластер, его опыт повторяет этот процесс, причём те же различия в среде внутренних и внешних клеток вызывают те же самые дивергентные реакции. Вы начинаете понимать, как история того, что когда-то было одноклеточным существом, может быть переписана, а его тело – палимпсестом того, что оно сделало для выживания.

От многоклеточности к дифференциации

На данный момент не существует документированных случаев развития организмов, одновременно развивающих многоклеточность и регулируемую дифференциацию в лабораторных условиях. Наиболее близкими к этому являются дрожжи-снежинки, описанные в статье Рэтклиффа и его коллег 2012 года. В них клетки на стыке двух ветвей иногда провоцировали собственную гибель. Это приводило к тому, что ветви, прикреплённые к мёртвой клетке, отламывались и начинали формировать собственные скопления. Команда считает, что это может быть формой дифференциации, поскольку клетки, отдающие свою жизнь, могли принести пользу дрожжам как группе. «Смерть клеток может иметь определённую выгоду, если она разделяет клетки до того, как они столкнутся с ограниченным количеством питательных веществ», — сказал Либби, работавший с Рэтклиффом над моделированием этого явления.

Но он также отмечает, что работа Пола Рейни из Института эволюционной биологии Общества Макса Планка и его коллег показала, что бактерии Pseudomonas также могут образовывать многоклеточные группы, в которых клетки могут принимать различные формы и вести себя по-разному, служа общей цели. Выявить истинную дифференциацию в таких случаях может быть непросто. «Честно говоря, эти утверждения могут быть спорными, поскольку примитивные формы многоклеточной сложности часто выглядят как типичное поведение одноклеточных», — сказал Либби. «Это не совпадение; это должно было откуда-то эволюционировать».

Пока ещё очень сложно предположить, покажут ли будущие эксперименты, что массивные снежно-белые дрожжи способны развивать сложные различия в своих тканях. Но по мере того, как команда продолжает развивать дрожжи, может появиться множество возможностей для странных явлений.

Боздаг вспоминает, что когда он сказал Рэтклиффу, что дрожжи достигли больших размеров, тот воскликнул: «Чувак! Тебе нужно, чтобы это продолжалось 20, 30 лет!» После многих лет разочарований Рэтклифф был в восторге, увидев, что дрожжи действительно могут обеспечить себя чем-то вроде тела.

«Честно говоря, я не был уверен, что эта система сможет достичь насыщения при количестве клеток около 1000», — сказал Рэтклифф. «Мы должны продолжать их эволюционировать и посмотреть, на что они способны. Нам нужно понять, сможем ли мы продвинуть этих ребят настолько далеко, насколько это возможно, на десятилетия, на десятки тысяч поколений…»

Он замолчал, а затем начал снова. «Если мы этого не сделаем, я всегда буду жалеть, что не воспользовался этой возможностью. Это уникальная возможность — попытаться подтолкнуть зарождающееся многоклеточное существо к более сложному развитию и посмотреть, насколько далеко мы сможем его продвинуть».

Исправление: 29 сентября 2021 г.
В оригинальной статье коловратки ошибочно названы простейшими; это микроскопические животные.

Источник: www.quantamagazine.org