Seitsemän vuotta sitten tutkijat osoittivat, että he pystyivät riisumaan solut niiden jyrkimpiin perustekijöihin asti ja luomaan pienimmän genomin omaavan elämänmuodon, joka silti antoi sen kasvaa ja jakautua laboratoriossa. Mutta luopuessaan puolet geneettisestä kuormituksestaan ​​tuo "minimaalinen" solu menetti myös osan kestävyydestään ja sopeutumiskyvystään, joita luonnollinen elämä kehittyi miljardeissa vuosissa. Tämä sai biologit pohtimaan, olisiko vähentäminen voinut olla yksisuuntainen matka: olivatko he jättäneet solut kyvyttömiksi kehittyä, kun he karsisivat soluja olennaiseen, koska ne eivät selvinneet muutoksesta edes yhdessä geenissä?

Nyt meillä on todisteita siitä, että jopa yksi planeetan heikoimmista, yksinkertaisimmista itsestään lisääntyvistä organismeista pystyy sopeutumaan. Vain 300 päivän evoluution aikana laboratoriossa, joka vastaa 40,000 XNUMX ihmisvuoden sukupolvea, vähäiset solut saivat takaisin kaiken uhraamansa kunnon, Indianan yliopiston tiimi raportoi äskettäin lehdessä luonto. Tutkijat havaitsivat, että solut reagoivat valintapaineisiin samoin kuin pienet bakteerit, joista ne olivat peräisin. Toinen tutkimusryhmä Kalifornian yliopistossa San Diegossa tuli samanlaiseen johtopäätökseen itsenäisesti julkaisuun hyväksytyssä työssä.

"On käynyt ilmi, että elämä, jopa niinkin yksinkertainen, kuin pieni solu, on paljon kestävämpää kuin luulimme", sanoi Kate Adamala, biokemisti ja apulaisprofessori Minnesotan yliopistosta, joka ei ollut mukana kummassakaan tutkimuksessa. "Voit heitellä sitä kivillä, ja se selviää silti." Jopa genomissa, jossa jokaisella geenillä on tarkoitus ja muutos näyttäisi olevan haitallinen, evoluutio muovaa organismeja adaptiivisesti.

"Se on upea saavutus", sanoi Roseanna Zia, Missourin yliopiston fyysikko, jonka tutkimuksen tavoitteena on rakentaa fysiikkaan perustuva malli minimaalisesta solusta ja joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Uusi tutkimus osoitti, että jopa ilman ylimääräisiä genomiresursseja, hän sanoi, että minimaaliset solut voisivat parantaa kuntoaan satunnaisilla muutoksilla olennaisissa geeneissä.

Uudet evoluutiokokeet alkavat tarjota näkemyksiä siitä, kuinka pienimmät, yksinkertaisimmat organismit voivat kehittyä - ja kuinka evoluution periaatteet yhdistävät kaikki elämänmuodot, jopa laboratorioissa kehitetyt geneettiset uutuudet. "Näemme yhä enemmän todisteita siitä, että tämä [minimisolu] on organismi, joka ei ole jotain outoa ja toisin kuin muu elämä maapallolla", sanoi John Glass, kirjailija. luonto tutkimus ja synteettisen biologian ryhmän johtaja J. Craig Venter Institutessa (JCVI) Kaliforniassa, joka suunnitteli ensimmäisenä minimaalisen solun.

Mitä jos annamme sen irti?

Aivan kuten 19- ja 20-luvun fyysikot käyttivät vetyä, kaikista atomeista yksinkertaisinta, tehdäkseen merkittäviä löytöjä aineesta, synteettiset biologit ovat kehittäneet minimaalisia soluja tutkiakseen elämän perusperiaatteita. Tämä tavoite toteutui vuonna 2016, kun Glass ja hänen kollegansa tuotti minimaalisen solun, JCVI-syn3.0. He mallinsivat sen jälkeen Mycoplasma mycoides, vuohissa asuva loisbakteeri, joka pärjää jo hyvin pienellä genomilla. Vuonna 2010 tiimi oli kehittänyt JCVI-syn1.0:n, synteettisen version luonnollisesta bakteerisolusta. Käyttäen sitä oppaana he laativat luettelon geeneistä, joiden tiedettiin olevan välttämättömiä, kokosivat ne hiivasoluun ja siirsivät sitten uuden genomin läheisesti sukua olevaan bakteerisoluun, joka tyhjennettiin alkuperäisestä DNA:sta.

Kaksi vuotta myöhemmin konferenssissa Uudessa Englannissa, Jay Lennon, evoluutiobiologi Indiana University Bloomingtonissa, kuunteli puhetta Clyde Hutchison, JCVI:n emeritusprofessori, joka oli johtanut minisolun suunnittelutyöryhmää. Myöhemmin Lennon kysyi häneltä: "Mitä tapahtuu, kun päästätte tämän organismin irti?" Eli mitä minimaalisille soluille tapahtuisi, jos ne joutuisivat luonnonvalinnan paineille, kuten bakteerit luonnossa?

Lennonille evoluutiobiologina kysymys oli ilmeinen. Mutta kun hän ja Hutchison olivat molemmat pohtineet asiaa muutaman minuutin, kävi ilmi, että vastaus ei ollut.

Minimaalisolu "on eräänlainen elämän tyyppi - se on keinotekoinen elämäntyyppi, mutta se on asetelma", Lennon sanoi, koska se täyttää alkeellisimman määritelmän elämästä jonakin, joka pystyy lisääntymään ja kasvamaan. Sen pitäisi siksi reagoida evoluutiopaineisiin aivan kuten gorillat, sammakot, sienet ja kaikki muut organismit. Mutta yleinen hypoteesi oli, että virtaviivainen genomi saattaa "ramauttaa tämän organismin kyvyn kehittyä mukautuvasti", Lennon sanoi.

Kenelläkään ei kuitenkaan ollut aavistustakaan siitä, mitä todella tapahtuisi, koska tutkijat ovat yleensä pitäneet erittäin huolen siitä, että mahdollisimman vähän soluja ei kehittyisi. Kun JCVI jakaa solunäytteet mihin tahansa noin 70 laboratoriosta, jotka nyt työskentelevät niiden kanssa, ne toimitetaan koskemattomina ja jäädytettyinä miinus 80 celsiusasteeseen. Kun otat ne pois, se on kuin heidän ensimmäinen päivänsä maan päällä, Lennon sanoi: "Nämä ovat aivan uusia soluja, jotka eivät ole koskaan nähneet evoluution päivää."

Pian heidän kohtaamisensa jälkeen Hutchison otti Lennonin yhteyttä Glassiin, joka jakoi näytteitä tiiminsä minimaalisista soluista Lennonin laboratoriolle Indianassa. Sitten Lennon ja Roy Moger-Reischer, hänen tuolloin jatko-opiskelijansa, ryhtyivät töihin.

Virtaviivaisten solujen testaus

He aloittivat kokeella, jonka tarkoituksena oli mitata mutaatioiden määrää minimaalisissa soluissa. He siirsivät toistuvasti siivua kasvavasta minimaalisesta solupopulaatiosta petrimaljoille, mikä vapautti solut kasvamaan ilman, että se rajoittaisi kilpailun kaltaisia ​​vaikutuksia. He havaitsivat, että minimaalinen solu mutatoitui nopeudella, joka on verrattavissa muokattuun soluun M. mycoides - mikä on korkein kaikista rekisteröidyistä bakteerimutaatioista.

Mutaatiot näissä kahdessa organismissa olivat melko samanlaisia, mutta tutkijat huomasivat, että luonnollinen mutaatiopoikkeama oli liioiteltu minimaalisessa solussa. Vuonna M. mycoides Mutaatio vaihtoi 30 kertaa todennäköisemmin A:n tai T:n geneettisessä koodissa G:ksi tai C:ksi kuin päinvastoin. Minimaalisessa solussa se oli 100 kertaa todennäköisempi. Todennäköinen selitys on, että jotkin minimointiprosessin aikana poistetut geenit estävät normaalisti kyseisen mutaation.

Toisessa koesarjassa tutkijat siirsivät tiheitä solupopulaatioita 300 päivän ja 2,000 XNUMX sukupolven ajan sen sijaan, että olisivat tuoneet mukanaan pienen soluryhmän. Tämä mahdollisti kilpailun ja luonnollisen valinnan lisääntymisen, mikä suosi hyödyllisiä mutaatioita ja geneettisten varianttien syntymistä, jotka lopulta päätyivät kaikkiin soluihin.

Solujen sopivuuden mittaamiseksi he laskivat niiden enimmäiskasvunopeuden 65-130 sukupolven välein. Mitä nopeammin solut kasvoivat, sitä enemmän tytärsoluja ne tuottivat seuraavaa sukupolvea varten. Vertaakseen kehittyneiden ja kehittymättömien minimaalisten solujen kuntoa tutkijat saivat ne kilpailemaan esi-isien bakteerien kanssa. He mittasivat, kuinka runsaasti soluja oli kokeen alussa ja 24 tunnin kuluttua.

He laskivat, että alkuperäinen minimaalinen solu oli menettänyt 53 % suhteellisesta kuntostaan ​​sekä sen ei-välttämättömät geenit. Minimointi oli "sairannut solun", Lennon sanoi. Silti kokeiden loppuun mennessä minimaaliset solut olivat kehittäneet kaiken kuntonsa takaisin. Ne voisivat mennä varpaisiin varpaisiin esi-isien bakteereja vastaan.

"Se räjäytti mieleni", sanoi Anthony Vecchiarelli, Michiganin yliopiston mikrobiologi, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "Luulisi, että jos sinulla on vain välttämättömät geenit, olet nyt todella rajoittanut evoluution määrää, joka … voi mennä positiiviseen suuntaan."

Silti luonnonvalinnan voima oli selvä: se optimoi nopeasti kuntoa jopa yksinkertaisimmassa autonomisessa organismissa, jolla oli vähän tai ei ollenkaan joustavuutta mutaatioiden suhteen. Kun Lennon ja Moger-Reischer mukautuivat organismien suhteelliseen kuntoon, he havaitsivat, että minimaaliset solut kehittyivät 39 % nopeammin kuin synteettiset solut. M. mycoides bakteerit, joista ne ovat peräisin.

Pelon ja ahneuden vaihtokauppa

Tutkimus oli "uskomattoman ajatuksia herättävä" ensimmäinen askel, Vecchiarelli sanoi. On epävarmaa, mitä tapahtuisi, jos solut jatkaisivat kehitystä: saisivatko ne takaisin osan geeneistä tai monimutkaisuudesta, jonka he menettivät minimointiprosessissa? Loppujen lopuksi itse pieni solu on edelleen hieman mysteeri. Noin 80:llä sen selviytymiselle välttämättömistä geeneistä ei ole tunnettua toimintaa.

Löydökset herättävät myös kysymyksiä siitä, mitkä geenit tarvitsevat pysyä minimaalisessa solussa luonnollisen valinnan ja evoluution edetäkseen.

Vuodesta 2016 lähtien JCVI-tiimi on lisännyt takaisin joitain ei-välttämättömiä geenejä auttamaan minimaalisia solulinjoja kasvamaan ja jakautumaan enemmän kuin luonnolliset solut. Ennen kuin he tekivät sen, JCVI-syn3.0 kasvoi ja jakautui oudoihin muotoihin, ilmiötä, jota Glass ja hänen tiiminsä tutkivat nähdäkseen, jakautuvatko heidän minimaaliset solunsa samalla tavalla kuin alkuperäiset solut.

Tutkijat havaitsivat, että suurin osa luonnonvalinnan suosimista hyödyllisistä mutaatioista kokeissaan olivat välttämättömissä geeneissä. Mutta yksi kriittinen mutaatio oli ei-välttämättömässä geenissä, nimeltään ftsZ, joka koodaa proteiinia, joka säätelee solujen jakautumista. Kun se mutatoitui M. mycoides, bakteeri kasvoi 80 % suuremmaksi. Kummallista kyllä, sama mutaatio minimaalisessa solussa ei lisännyt sen kokoa. Tämä osoittaa, kuinka mutaatioilla voi olla erilaisia ​​​​toimintoja riippuen solukontekstista, Lennon sanoi.

Jonkin sisällä täydentävä tutkimus, jonka on hyväksynyt iScience mutta ei vielä julkaistu, johtama ryhmä Bernhard Palsson Kalifornian yliopistossa San Diegossa raportoitiin samankaltaisia ​​tuloksia kokeista saman minimaalisen solun variantilla. He eivät löytäneet ftsZ mutaatio kehittyneissä minimaalisissa soluissaan, mutta he löysivät samanlaisia ​​mutaatioita muissa geeneissä, jotka hallitsevat solun jakautumista, korostaen sitä, että on olemassa useita tapoja saavuttaa biologinen lopputulos, Palsson sanoi.

He eivät katsoneet solukokoa, mutta he tarkastivat, mitkä geenit ilmentyivät ennen evoluutiojaksoa, sen aikana ja sen jälkeen. He havaitsivat "pelon ja ahneuden kompromissin", joka on myös luonnollisissa bakteereissa havaittu taipumus kehittää mutaatioita geeneissä, jotka auttavat sitä kasvamaan, eikä mutaatioita, jotka tuottaisivat enemmän DNA-korjausproteiineja virheiden korjaamiseksi.

Täällä voit nähdä, että "mutaatiot yleensä heijastavat soluprosesseja, joita tarvitaan toiminnan parantamiseen", Palsson sanoi.

Sen osoittaminen, että minimaalinen solu voi kehittyä kuten solut, joilla on luonnollisempi genomi, oli tärkeää, koska se vahvisti "kuinka hyvin se edustaa elämää yleensä", Zia sanoi. Monille tutkijoille minimaalisen solun tarkoitus on toimia erittäin hyödyllisenä oppaana monimutkaisempien luonnollisten solujen ja niiden noudattamien sääntöjen ymmärtämisessä.

Muut tutkimukset ovat myös alkaneet tutkia kuinka minimaaliset solut reagoivat luonnollisiin paineisiin. Ryhmä ilmoitti iScience vuonna 2021, että minimaaliset solut voivat nopeasti kehittää resistenssin erilaisille antibiooteille, kuten bakteerit.

Tietäminen, mitkä geenit todennäköisemmin mutatoituvat ja johtavat hyödyllisiin sopeutumiseen, voisi jonakin päivänä auttaa tutkijoita suunnittelemaan lääkkeitä, jotka parantavat sitä, mitä he tekevät kehossa ajan myötä. Voidakseen rakentaa vankkoja synteettisiä elämänmuotoja, joilla on hyvin erilaisia ​​kykyjä, evoluutiobiologien ja synteettisten biologien on työskenneltävä yhdessä, "koska siitä kuinka paljon suunnitteletkin, se on silti biologiaa ja biologia kehittyy", Adamala sanoi.