多細胞生命起源之旅:實驗室中單細胞群向多細胞的長期實驗進化

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2023-05-12 10:24:00【大中小】

摘要：經(jīng)過3000多代的實驗室進化，佐治亞理工學(xué)院的研究人員觀察到他們的模式生物“雪花酵母”開始適應(yīng)成為多細胞群體。

如果沒有多細胞生物，這個世界看起來會非常不同——如果除去植物、動物、真菌和海藻，地球初始看起來像一個更濕潤、更環(huán)保的火星。但多細胞生物究竟是如何從單細胞祖先進化而來的，人們?nèi)匀恢跎佟＿@種轉(zhuǎn)變發(fā)生在數(shù)億年前，早期的多細胞物種大部分都滅絕了。

為了研究多細胞生命是如何從零開始進化的，佐治亞理工學(xué)院的研究人員決定將進化掌握在自己手中。在生物科學(xué)學(xué)院副教授、定量生物科學(xué)跨學(xué)科研究生項目主任William Ratcliff的帶領(lǐng)下，一組研究人員啟動了第一個長期進化實驗，旨在從實驗室的單細胞祖先進化出新的多細胞生物。

經(jīng)過3000多代的實驗室進化，研究人員觀察到他們的模式生物“雪花酵母（snowflake yeast）”開始適應(yīng)成為多細胞個體。在發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，研究小組展示了雪花酵母是如何進化成更強壯的，比原先大2萬多倍的多細胞群體。這種類型的生物物理進化是那種可以用肉眼看到的大型多細胞生命的先決條件。他們的研究是正在進行的多細胞長期進化實驗(MuLTEE)的第一份主要報告，該團隊希望能持續(xù)幾十年。

圖1 研究小組展示了雪花酵母是如何進化成更強壯的多細胞群體

Ratcliff說:“從概念上講，我們想要了解的是，簡單的細胞群是如何進化成有機體的，它們具有特化、協(xié)調(diào)生長、涌現(xiàn)的多細胞行為和生命周期——這些是區(qū)分一堆池塘浮渣和能夠持續(xù)進化的有機體的東西。”“了解這個過程是我們這個領(lǐng)域的一個主要目標。”

多細胞長期進化實驗

Ratcliff小組的前博士后研究員、該論文的第一作者Ozan Bozdag于2018年啟動了MuLTEE，從單細胞雪花酵母開始。Bozdag在搖瓶培養(yǎng)箱中培養(yǎng)酵母，每天選擇更快的生長速度和更大的群體規(guī)模。

研究小組根據(jù)生物體的大小進行選擇，因為所有的多細胞譜系一開始都是小而簡單的，隨著時間的推移，許多進化得更大更健壯。人們認為，長出又大又結(jié)實的身體的能力在增加復(fù)雜性方面發(fā)揮了作用，因為這需要新的生物物理創(chuàng)新。然而，這一假設(shè)從未在實驗室中得到直接驗證。

經(jīng)過大約3000代的進化，他們的酵母菌進化形成了比他們祖先大2萬多倍的群體。它們從肉眼看不見到果蠅大小，包含超過50萬個細胞。單個雪花酵母進化出了新的材料特性:雖然它們開始比明膠還弱，但經(jīng)過進化變得像木頭一樣堅固和堅韌。

圖2 每個群體和治療組的大小演變的時間動力學(xué)

新的生物物理適應(yīng)

在研究雪花酵母如何適應(yīng)變大的過程中，研究人員觀察到酵母細胞本身變得細長，減少了細胞的密度。這種細胞伸長減緩了細胞間應(yīng)力的積累，而應(yīng)力通常會導(dǎo)致細胞簇斷裂，從而使細胞群變得更大。但這一事實本身只會導(dǎo)致尺寸和多細胞韌性的小幅增加。為了揭示允許生長到宏觀大小的精確生物物理機制，研究人員需要觀察酵母簇內(nèi)部，以了解細胞如何在物理上相互作用。普通光學(xué)顯微鏡無法穿透大而密集的群體，因此研究人員使用掃描電子顯微鏡對成千上萬的超薄酵母片進行成像，從而獲得它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

Bozdag說:“我們發(fā)現(xiàn)有一種全新的物理機制使這些群體能夠發(fā)展到如此龐大的規(guī)模。”“酵母的分支已經(jīng)糾纏在一起——集群細胞進化出了藤蔓狀的行為，相互纏繞，加強了整個結(jié)構(gòu)。”

通過簡單地選擇一個有機體的大小，研究人員發(fā)現(xiàn)了如何利用纏結(jié)的生物力學(xué)機制，最終使酵母作為一種材料的硬度增加了大約1萬倍。

“以前已經(jīng)在完全不同的系統(tǒng)中研究過糾纏，主要是在聚合物中，”物理學(xué)院副教授、論文的合著者Peter Yunker說。“但在這里，我們通過一種完全不同的機制看到了糾纏——細胞的生長，而不僅僅是通過它們的運動。”

觀察到這種纏結(jié)是研究人員理解簡單的多細胞群體是如何進化的一個轉(zhuǎn)折點。雪花酵母作為一種全新的多細胞生物，缺乏現(xiàn)代多細胞生物所特有的復(fù)雜發(fā)育機制。但經(jīng)過3000代的實驗室進化，酵母發(fā)現(xiàn)了如何驅(qū)動和選擇細胞纏結(jié)作為一種發(fā)育機制。對其他多細胞真菌的初步研究表明，它們也形成高度糾纏的多細胞體，這表明糾纏是多細胞生命分支中廣泛而重要的多細胞特征。

圖3 宏觀雪花酵母是單克隆的，通過永久的母子細胞鍵生長，而不是聚集。

Ratcliff說:“我真的很高興有一個模型系統(tǒng)，我們可以利用現(xiàn)代科學(xué)的強大力量，在數(shù)千代的時間里進化出早期的多細胞生命。”“原則上，我們可以理解正在發(fā)生的一切，從進化細胞生物學(xué)到直接受選擇影響的生物物理特征。”

很長一段時間以來，人類一直在與生物學(xué)合作，進化（培育）出新的東西——從我們吃的玉米到家養(yǎng)的狗、雞和鴿子。根據(jù)Ratcliff的說法，他們的團隊所做的事情并沒有太大的不同。“通過了解單細胞生物進化的規(guī)模，我們可以弄清楚它們是如何逐漸進化成更復(fù)雜、更整合的多細胞生物的，并可以研究這一過程。”“我們希望這只是多細胞發(fā)現(xiàn)的漫長故事的第一章，因為我們將繼續(xù)在MuLTEE中進化雪花酵母。”

參考資料：

[1] De novo evolution of macroscopic multicellularity