Искусственные клетки показывают, что «жизнь всегда находит выход»

Исследовательская группа биологов изучила синтетически сконструированную (минимальную) клетку, лишенную всех генов, кроме основных. Команда обнаружила, что искусственная клетка может развиваться так же быстро, как и обычная клетка, демонстрируя способность организмов адаптироваться даже с неестественным геномом, который, казалось бы, не обеспечивает гибкости.

«Кажется, в жизни есть что-то действительно крепкое», — говорит Джей Леннон, автор исследования. «Мы можем упростить все до самого необходимого, но это не мешает эволюции работать».

Для своего исследования ученые использовали синтетический организм Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B — уменьшенную версию бактерии M. mycoides, обычно встречающейся в кишечнике коз и подобных животных. На протяжении тысячелетий эта паразитическая бактерия естественным образом утратила многие свои гены, поскольку в ходе эволюции стала зависеть от своего хозяина в плане питания.

Ранее исследователи удалили 45% из 901 гена естественного генома M. mycoides, сократив его до наименьшего набора генов, необходимого для автономной клеточной жизни. Минимальный геном M. mycoides JCVI-syn3B, содержащий 493 гена, является самым маленьким среди всех известных свободноживущих организмов. Для сравнения, многие геномы животных и растений содержат более 20 000 генов.

В принципе простейший организм не имел бы функциональной избыточности и обладал бы лишь минимальным числом генов, необходимых для жизни. Любая мутация в таком организме может привести к летальному нарушению одной или нескольких клеточных функций, что наложит ограничения на эволюцию.

Организмы с оптимизированными геномами имеют меньше мишеней, на которые может воздействовать положительный отбор, что ограничивает возможности для адаптации.

Хотя M. mycoides JCVI-syn3B могли расти и делиться в лабораторных условиях, ученые хотели знать, как минимальная клетка будет реагировать на силы эволюции с течением времени, особенно с учетом ограниченного сырья, на котором мог действовать естественный отбор.

«Каждый отдельный ген в ее геноме важен», — говорит Джей Леннон, имея в виду M. mycoides JCVI-syn3B. «Можно предположить, что мутациям нет места для маневра, и это могло бы ограничить ее потенциал для развития».

Исследователи установили, что M. mycoides JCVI-syn3B на самом деле имеет исключительно высокую частоту мутаций. Они вырастили клетки в лаборатории, где им дали возможность свободно развиваться в течение 300 дней, что эквивалентно 2000 бактериальным поколениям или примерно 40 000 лет человеческой эволюции.

Следующим шагом была постановка экспериментов для определения того, как минимальные клетки, которые эволюционировали в течение 300 дней, вели себя по сравнению с исходными, обычными M. mycoides, а также со штаммом минимальных клеток, которые не эволюционировали в течение 300 дней.

В сравнительных тестах исследователи поместили равное количество оцениваемых штаммов в пробирки. Штамм, лучше приспособленный к окружающей среде, стал более распространенным штаммом.

Ученые обнаружили, что обычная версия бактерии легко превзошла неэволюционировавшую минимальную версию. Однако минимальная бактерия, которая развивалась в течение 300 дней, показала себя намного лучше, фактически восстановив всю приспособленность, утраченную в результате оптимизации генома.

Исследователи определили гены, которые больше всего изменились в ходе эволюции. Некоторые из этих генов участвовали в построении поверхности клетки, функции некоторых других остаются пока неизвестными.

Понимание того, как организмы с упрощенными геномами преодолевают эволюционные трудности, имеет важные последствия для давних проблем биологии, включая лечение клинических патогенов, устойчивость эндосимбионтов, ассоциированных с хозяином, усовершенствование сконструированных микроорганизмов и происхождение самой жизни.

Исследование демонстрирует способность естественного отбора быстро оптимизировать приспособленность простейшего автономного организма, что имеет значение для эволюции клеточной сложности. Другими словами, это показывает, что жизнь всегда находит выход.

Работа была опубликована в журнале Nature.