Синтетические микроорганизмы позволяют изучать древние эволюционные загадки

Ученые из Scripps Research и их коллеги создали микроорганизмы, которые могут воспроизводить ключевые черты организмов, предположительно существовавших миллиарды лет назад. Это позволяет исследовать, как жизнь эволюционировала от неживых молекул к одноклеточным, а затем к сложным многоклеточным формам.

Изучая эти инженерные организмы, ученые надеются пролить свет на раннюю эволюцию генетического материала и происхождение клеточных энергостанций — митохондрий.

Исследователи сообщают о создании микробов в двух статьях: одна опубликована 29 октября 2018 года в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), другая — 30 августа 2018 года в Journal of the American Chemical Society (JACS).

"Эти созданные организмы позволят нам исследовать две ключевые теории о важнейших этапах эволюции живых организмов — переход от мира RNA к миру DNA и переход от прокариот к эукариотам с митохондриями", — говорит старший автор работ Питер Шульц, Ph.D.

Модель перехода от RNA к DNA

Согласно гипотезе "мира RNA", до появления DNA организмы полагались на RNA как на носитель генетической информации. Чтобы понять возможный переход, команда создала бактерии Escherichia coli, которые частично строят свою DNA из рибонуклеотидов — строительных блоков, обычно используемых для RNA.

Эти сконструированные геномы содержали до 50% RNA, представляя собой новый тип синтетического организма и, возможно, аналог организмов, существовавших миллиарды лет назад.

Тот факт, что E. coli с наполовину RNA-геномом может выживать и размножаться, поддерживает возможность существования эволюционных переходных форм с гибридными RNA-DNA геномами. Ученые планируют использовать эти бактерии, чтобы исследовать, например, приводит ли наличие RNA к быстрому генетическому дрейфу.

Модель происхождения митохондрий

В статье в PNAS описано создание лабораторной модели для изучения происхождения митохондрий — органелл, производящих химическую энергию (ATP) в клетках всех высших организмов. Считается, что митохондрии эволюционировали из бактерий, захваченных более крупными одноклеточными организмами.

Чтобы смоделировать этот процесс, ученые создали симбиоз: генетически модифицированные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, зависимые от бактерий E. coli, живущих внутри них.

• Модификация бактерий: У E. coli удалили ген синтеза тиамина, сделав их зависимыми от дрожжей в этом витамине. Также добавили ген белка-переносчика ADP/ATP, чтобы ATP, производимый бактериями, поставлялся дрожжам-хозяевам — имитируя ключевую функцию настоящих митохондрий.
• Модификация дрожжей: Их собственные митохондрии были сделаны неспособными эффективно поставлять ATP, поэтому дрожжи стали зависеть от бактерий для производства энергии.

Некоторые из модифицированных бактерий (дополнительно защищенные от разрушения в дрожжах) жили и размножались в гармонии со своими хозяевами более 40 поколений и оставались жизнеспособными неопределенно долго. "Модифицированные бактерии, по-видимому, накапливают новые мутации внутри дрожжей, чтобы лучше адаптироваться к новой среде", — отмечает Шульц.

Перспективы исследований

Создав эту систему, команда попытается эволюционировать E. coli в митохондриеподобные органеллы. Адаптация к жизни внутри дрожжей может позволить бактериям радикально сократить свой геном (типичная E. coli имеет несколько тысяч генов, а митохондрии — всего 37).

Эксперименты по удалению генов были многообещающими: ученые смогли удалить у E. coli не только ген тиамина, но и гены, ответственные за производство метаболита NAD и аминокислоты серина, и все равно получить жизнеспособный симбиоз.

"Мы уже на пути к тому, чтобы удалить гены для синтеза всех 20 аминокислот, которые составляют значительную часть генома E. coli", — говорит Шульц. После этого ученые планируют удалить гены синтеза кофакторов и нуклеотидов, чтобы в течение нескольких лет получить по-настоящему минимальный эндосимбиотический геном.

Подобные системы "хозяин-эндосимбионт" также могут быть использованы для исследования других важных эволюционных событий, например, происхождения хлоропластов в растениях.