Искусственные клетки демонстрируют, что «жизнь найдет путь»
Исследовательская группа эволюционного биолога Джея Т. Леннона изучала синтетически сконструированную минимальную клетку, лишенную всех генов, кроме самых необходимых. Команда обнаружила, что эта упрощенная клетка может эволюционировать так же быстро, как и обычная, демонстрируя способность организмов адаптироваться даже с неестественным геномом, который, казалось бы, предоставляет мало возможностей для изменений.
Детали исследования изложены в статье, опубликованной в журнале Nature. Первым автором работы является Рой З. Могер-Рейшер, который на момент исследования был аспирантом в лаборатории Леннона.
«Похоже, в жизни есть нечто действительно устойчивое, — говорит Леннон. — Мы можем упростить ее до самых основ, но это не остановит эволюцию».
Для своего исследования команда использовала синтетический организм Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B — минимализированную версию бактерии M. mycoides, часто встречающейся в желудках коз и подобных животных. Исследователи из Института Дж. Крейга Вентера в Калифорнии в 2016 году удалили 45% из 901 гена из естественного генома M. mycoides, сократив его до минимального набора генов, необходимых для автономной клеточной жизни.
Геном M. mycoides JCVI-syn3B состоит из 493 генов и является самым маленьким из известных у свободноживущих организмов. Для сравнения, многие геномы животных и растений содержат более 20 000 генов.
«Каждый ген в его геноме является необходимым, — отмечает Леннон. — Можно было бы предположить, что для мутаций нет простора, что может ограничить его потенциал к эволюции».
Исследователи установили, что у M. mycoides JCVI-syn3B, на самом деле, исключительно высокая скорость мутаций. Они выращивали его в лаборатории, позволив свободно эволюционировать в течение 300 дней, что эквивалентно 2000 бактериальным поколениям или примерно 40 000 лет человеческой эволюции.
В ходе сравнительных тестов ученые выяснили, что:
- Неминимализированная версия бактерии легко вытеснила неэволюционировавшую минимальную версию.
- Минимальная бактерия, эволюционировавшая 300 дней, показала себя намного лучше, фактически восстановив всю приспособленность, утраченную из-за «упрощения» генома.
Исследователи идентифицировали гены, которые изменились больше всего в процессе эволюции. Некоторые из этих генов были задействованы в построении поверхности клетки, в то время как функции нескольких других остаются неизвестными.
Значение исследования:
Понимание того, как организмы с упрощенными геномами преодолевают эволюционные вызовы, важно для решения давних проблем в биологии, включая лечение клинических патогенов, существование эндосимбионтов, усовершенствование инженерных микроорганизмов и происхождение жизни.
Работа команды Леннона демонстрирует способность естественного отбора быстро оптимизировать приспособленность даже у простейшего автономного организма, что имеет значение для понимания эволюции клеточной сложности. Другими словами, она показывает, что жизнь находит путь.