Nature證明“生命自有出路”：最小細胞的進化

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-07-12 10:27:00【大中小】

摘要：一項研究利用合成的“最小細胞”生物體，將其剝離為生命的“最基本要素”，證明了生物體進化和適應能力的堅韌性，即使面對一個似乎沒有什么靈活性的非自然基因組。

“聽著，如果說進化史教會了我們一件事，那就是生命不會被束縛。生命是自由的，它能擴展到新的領域，也許過程是危險的，但它還是會沖破障礙，“Ian Malcolm說，他在《侏羅紀公園》中飾演Jeff Goldblum，這是一部1993年的科幻電影，講述的是一個有活恐龍的公園。

在進化生物學家Jay T. Lennon的實驗室中，你找不到任何迅猛龍的蹤跡。但是Lennon和他的同事們發(fā)現(xiàn)，生命確實有自己的方式。Lennon的研究小組一直在研究一種人工合成的最小細胞，這種細胞除了基本基因外，其他所有基因都被剝離了。研究小組發(fā)現(xiàn)，這種簡化版細胞的進化速度和正常細胞一樣快——這證明了生物體的適應能力，即使是一個看似沒有什么靈活性的非自然基因組。

圖1 研究小組發(fā)現(xiàn)簡化版細胞的進化速度和正常細胞一樣快

Lennon說:“似乎生命中存在著某種非常強大的東西。我們可以將其簡化為最基本的要素，但這并不能阻止進化的發(fā)生。”

在他們的研究中，Lennon的團隊使用了一種合成生物，即Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B-a，這是山羊和類似動物腸道中常見的Mycoplasma mycoides的最小化版本。幾千年來，這種寄生細菌在進化到依賴宿主獲取營養(yǎng)的過程中，自然失去了許多基因。加州J. Craig Venter研究所的研究人員在此基礎上更進一步。2016年，他們從天然mycoides基因組中消除了901個基因中的45%，將其減少到自主細胞生命所需的最小基因集。mycoides JCVI-syn3B的最小基因組只有493個基因，是所有已知的自由生物中最小的。相比之下，許多動物和植物基因組包含超過20,000個基因。

原則上，最簡單的有機體不會有功能冗余，只擁有生命所必需的最少數(shù)量的基因。這種生物的任何突變都可能致命地破壞一種或多種細胞功能，從而限制其進化。具有簡化版基因組的生物體有較少的正選擇作用的目標，從而限制了適應的機會。

盡管M.mycoides JCVI-syn3B可以在實驗室條件下生長和分裂，但Lennon和他的同事們想知道，一個最小的細胞如何隨著時間的推移對進化的力量做出反應，特別是考慮到自然選擇所依賴的原料有限，以及新突變的未知輸入。

Lennon說，“它的基因組中的每一個基因都是必不可少的，人們可以假設沒有突變的回旋余地，這可能會限制其進化的潛力。”

研究人員證實，事實上，JCVI-syn3B具有異常高的突變率。隨后他們在實驗室里培養(yǎng)它，讓它自由進化300天，相當于2000代細菌或大約4萬年的人類進化。

圖2 最小細胞和非最小細胞的突變率和突變譜

下一步是建立實驗，確定已經進化了300天的最小細胞與原始的、非最小的mycoides以及沒有進化300天的最小細胞株相比表現(xiàn)如何。在對比測試中，研究人員將等量的被評估菌株一起放入試管中，結果發(fā)現(xiàn)更適合其環(huán)境的菌株成為更常見的菌株。

他們發(fā)現(xiàn)非最小版本的細菌很容易勝過未進化的最小版本。然而，進化了300天的最小細菌表現(xiàn)得更好，有效地恢復了由于基因組精簡而失去的所有適應性。研究人員確定了在進化過程中變化最大的基因。其中一些基因參與構建細胞表面，而其他幾個基因的功能尚不清楚。

有關這項研究的細節(jié)可以在《自然》雜志最近刊登的一篇論文中找到。Roy Z. Moger-Reischer是這篇論文的第一作者。

了解具有簡化基因組的生物體如何克服進化挑戰(zhàn)對生物學中長期存在的問題具有重要意義，這些問題包括臨床病原體的治療、宿主相關內共生體的持久性、工程微生物的改進以及生命本身的起源。Lennon和他的團隊所做的研究證明了自然選擇在最簡單的自主有機體中迅速優(yōu)化適應性的力量，這對細胞復雜性的進化具有啟示意義。換句話說，它表明生命找到了自己的方式。

參考資料：

[1] Evolution of a minimal cell.