Клетки с минимальным количеством генов могут развиваться так же быстро, как нормальные клетки: исследование

Около 5000-10000 лет назад, молочное животноводство изменили ДНК некоторых людей. Когда они начали пить молоко, гены взрослых людей начали накапливаться мутации это помогло бы им переварить это.

Такие мутации помогают организму развиваться. Сложные организмы, такие как человек, содержат тысячи генов, большинство из которых не являются необходимыми для выживания. Мутации в этих генах не смертельны. В результате на эти гены могут воздействовать эволюционные силы, и любая полезная мутация со временем становится более распространенной.

Но что, если простой организм содержал только те гены, которые необходимы для его выживания? Любая мутация в таком организме может привести к летальному нарушению его клеточных функций. Как эволюционные силы будут действовать на геном такого организма, если он содержит так мало мишеней, на которые может воздействовать отбор?

Через 2000 поколений

Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи из Университета Индианы в Блумингтоне использовали синтетически созданную минимальную клетку, содержащую только гены, необходимые для выживания. Их выводы, опубликовано недавно в журнале Природапоказали, что даже такая клетка может развиваться так же быстро, как нормальная клетка.

Это «демонстрирует способность организмов адаптироваться, даже с неестественным геномом, который, казалось бы, не обеспечивает гибкости», — сказал Джей Леннон, профессор Университета Индианы, чья команда сделала открытие.

Команда доктора Леннона использовала синтетическую версию Микоплазма микоиды, микроб, обычно обнаруживаемый в кишечнике коз и крупного рогатого скота. Они создали урезанную минимальную клетку (JCVI-syn3.B) всего с 493 генами по сравнению с 901 геном в неминимальной линии (JCVI-syn1.0). Хотя минимальные клетки были живы и могли воспроизводиться, минимизация генома также сделала их больными, снизив их приспособленность более чем на 50%.

Чтобы проверить, по-разному ли эти минимальные клетки реагировали на силы эволюции по сравнению с неминимальными клетками, команда выращивала их отдельно в жидкой среде, ежедневно перенося небольшое фиксированное количество популяции в свежую среду. Они делали это в течение 300 дней, позволяя бактериальной линии пройти через 2000 поколений (что эквивалентно примерно 40 000 лет человеческой эволюции).

«Это неизбежно»

За это время они обнаружили, что минимальные клетки демонстрируют скорость мутаций, сравнимую с частотой мутаций неминимальных клеток. (Действительно, Микоплазма микоиды имеет самый высокий зарегистрированный уровень мутаций среди всех клеточных организмов.)

«Неудивительно, что мутации возникли в минимальной клетке. Это неизбежно», — сказал доктор Леннон. «Что более важно, так это то, что скорость адаптации не сдерживалась синтетически уменьшенным геномом».

В течение 300 дней они обнаружили, что минимальная клетка также эффективно восстановила всю приспособленность, которую она потеряла из-за минимизации генома, и может работать так же, как не минимизированная клетка, что позволяет предположить, что «уменьшенный» геном не является постоянным проклятием.

При этом минимальная ячейка стала меньше, чем неминимальная ячейка: размер неминимальной ячейки увеличился на 80% за 300 дней, в то время как минимальная ячейка осталась прежнего размера. Когда команда исследовала геномы адаптированных клеток, они обнаружили, что минимальные и неминимальные клетки улучшили свою приспособленность и эволюционировали по разным генетическим путям.

Удивительный фитнес

«Интересно задаться вопросом: каким образом минимальная клетка будет вести себя по-другому в процессе эволюции по сравнению с неминимальной клеткой? Но тот факт, что эволюционировала минимальная клетка, неудивителен», — сказала Дипа Агаше, доцент Национального центра биологических наук (NCBS) в Бангалоре, изучающая эволюционную биологию.

«Все, что способно выживать и воспроизводиться, может эволюционировать».

Доктор Агаше добавил, что будет создано достаточно генетической вариации, чтобы помочь клетке развиваться, благодаря высокой скорости мутаций, большому размеру популяции, используемой в эксперименте, и достаточному количеству материала для роста, обеспеченному в богатой питательными веществами жидкой среде.

«Мутации неизбежны», — сказал Самай Панде, доцент Индийского института науки в Бангалоре, изучающий эволюционную динамику бактериальных хищников. Он отметил, что высокая частота мутаций неудивительна, учитывая, что механизмы, ответственные за исправление этих мутаций, были нарушены в минимальных клетках. Вместо этого он добавил: «Я больше удивлен степенью улучшения приспособленности, чем тем фактом, что такие клетки могут развиваться».

По словам доктора Агаше, интересным шагом было бы посмотреть, адаптируется ли организм с более низкой врожденной частотой мутаций, что также отмечают авторы. Она также заметила, что использование более независимых клеточных популяций (в экспериментах было четыре) или использование сред, которые не стимулировали микробный рост, также может пролить свет на то, как эволюционируют минимальные клетки. иначе.

Доктор Леннон согласился, заявив, что они, возможно, захотят увидеть, «адаптируется ли минимальная клетка так же легко, когда она поддерживается в различных, возможно, более стрессовых условиях».

«Что-то фундаментальное в эволюции»

Тем не менее, по словам доктора Панде, тот факт, что эволюционный потенциал организмов остается очень высоким, несмотря на их различные эволюционные траектории, является «очень значительным вкладом в наше понимание микробной эволюции».

«Ученые учатся на простых сценариях. Мы смогли узнать что-то фундаментальное об эволюции и ее пределах (или их отсутствии), изучая минимальную клетку», — добавил доктор Леннон.

Он сказал, что выводы его команды имеют отношение к синтетическая биология, где исследователи применяют инженерные принципы для создания организмов для применения в медицине и производстве топлива. «Спроектированные клетки не статичны. Они развиваются. Наше исследование проливает некоторый свет на то, как синтетические организмы могут измениться, столкнувшись с неизбежными силами эволюции», — сказал он.

Доктор Агаше согласился. Она отметила важность минимального количества клеток в синтетической биологии, поскольку большие геномы нормальных бактериальных клеток могут мешать способности клетки делать то, для чего она была создана. С этой точки зрения «хорошо больше понимать минимальную клетку и знать, что вы можете развивать эти синтетические клетки интересными способами», — сказала она.

«Я чувствую, что это приведет к большому количеству интересной работы в будущем».

Снеха Хедкар — биолог, ставшая независимым научным журналистом из Бангалора.