Простейшие синтетические клетки развиваются быстрее, чем естественные
Одноклеточным формам жизни нужны самые простые эволюционные точки опоры, чтобы закрепиться в окружающей среде. Исследователи говорят, что даже очень минимальная клетка, содержащая всего 493 гена, может мутировать и адаптироваться, чтобы улучшить свою приспособленность, что является критическим шагом в сохранении и стабильности жизни, который теперь был продемонстрирован в лаборатории. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Выводы получены из нового исследования, проведенного группой ученых из США и Бразилии, которые лишили клетку всех генов, кроме ее основных, чтобы увидеть, может ли она все еще развиваться.
Клетка представляет собой искусственно обтекаемую версию Mycoplasma mycoides — паразитической бактерии, обитающей в кишечнике коз и других жвачных животных. Со временем, когда этот паразит стал полагаться на своего хозяина для выживания, он потерял многие из своих первоначальных генов.
Сегодня в его геноме остался всего 901 ген, что ничтожно мало по сравнению с тысячами генов, кодирующих белки многих других видов бактерий, или даже десятками тысяч генов растений и животных.
Когда ученые синтетическим путем удалили еще 41 процент генов M. mycoides, оставив все последовательности, кроме наиболее важных, они создали свободноживущую клетку с наименьшим геномом среди всех организмов, выращенных в чистой культуре.
По словам биолога Джея Леннона из Университета Индианы, отредактированная бактерия, названная M. mycoides JCVI-syn3B, представляет собой костяк того, что необходимо клетке для выживания.
«Можно предположить, что для мутаций нет места для маневра, — говорит Леннон, — которые могли бы ограничить его потенциал для развития».
Но даже этот скелет способен на большее, чем можно подумать.
«Мы можем упростить клетку до самого необходимого, — объясняет Леннон, — но это не мешает эволюции работать».
Когда Леннон и его коллеги позволили M. mycoides JCVI-syn3B расти в лаборатории в течение 300 дней (что эквивалентно 2000 бактериальным поколениям), они обнаружили исключительно высокую частоту мутаций для такой простой клетки.
По сравнению с исходным M. mycoides, этот новый штамм эволюционировал на 39 процентов быстрее, восстановив всю приспособленность, которую он потерял, когда исследователи искусственно удалили многие из его генов.
Помещенные в ту же пробирку, что и другие минимальные клетки, которые не эволюционировали в течение 300 дней, эволюционировавшие клетки превзошли других, захватив верх и став более доминирующим штаммом. Он явно лучше подходил для своего окружения.
«Наши результаты показывают, что естественный отбор может быстро повысить приспособленность одного из простейших автономно растущих организмов», — пишут Леннон и его коллеги.
Теоретически, чем больше ячейка, тем больше сложностей она может содержать. Удивительно, но эволюционировавшие клетки не увеличились в физическом размере. Исследователи подозревают, что это связано с тем, что половина ее мембранных белков была удалена, а это означает, что клетке не хватало ресурсов для увеличения своего объема.
Хотя остается еще много нюансов для исследования, включая то, какие гены эволюционировали и почему, результаты показывают, что естественный отбор достаточно силен, чтобы оптимизировать даже самые простые одноклеточные организмы.
«Другими словами, — заключают авторы, — это показывает, что жизнь находит выход».
