Даже синтетические формы жизни с крохотным геномом способны эволюционировать

Семь лет назад исследователи показали, что можно разобрать клетку «до основания» и создать форму жизни с очень маленьким (но достаточным для жизни и размножения в лабораторных условиях) геномом. Такая «минимальная» клетка закономерно теряла часть своей устойчивости и адаптивности, которые развивались в природе в течение миллиардов лет. Это заставило биологов задуматься, не была ли эта минимизация путешествием в один конец: урезав клетки до самых основ, не сделали ли их неспособными к эволюционированию и теперь изменения даже в одном гене убивают синтетический организм?

Теперь у нас есть доказательство, что даже один из слабейших и простейших самовоспроизводимых организмов на планете способен адаптироваться. Всего за 300 дней эволюционирования в лаборатории, что эквивалентно эволюции нашего вида в течение 40 тысяч лет, «убогие» минимальные клетки восстановили всю утраченную ими живучесть, сообщила недавно в журнале Nature группа учёных из университета Индианы. Исследователи обнаружили, что синтетические клетки отвечали на негативное воздействие отбора почти так же хорошо, как и те бактерии, на базе которых они были созданы. Вторая исследовательская группа из Калифорнийского университета в Сан Диего независимо пришла к подобному заключению в работе, которая также принята к публикации.

«Оказывается жизнь, даже такая хлипкая жизнь как минимальная клетка, намного прочнее, чем мы думали, — говорит Кейт Адамала (Kate Adamala), биохимик и доцент Университета Миннесоты, которая не участвовала в этих исследованиях. — Можете забрасывать её камнями, и она всё равно выживет». Даже в таком геноме, где все гены до одного служат какой-то цели, и любое изменение, казалось бы, привело бы к коллапсу, эволюция формирует организмы адаптивно.

Это потрясающее достижение», — говорит Розанна Зиа (Roseanna Zia), физик из Университета Миссури, исследование которой нацелено на создание физической модели минимальной клетки и которая не участвовала в исследовании. Работа показала, что даже без свободных ресурсов генома, с её слов, минимальные клетки смогли повысить свою жизнеспособность за счёт случайных изменений в основных генах.

Новые эксперименты по эволюции начинают давать представление о том, как могут развиваться простейшие организмы — и как принципы эволюции объединяют все формы жизни, включая генетические новинки из лабораторий.

«Мы видим всё больше и больше свидетельств того, что эта минимальная клетка — организм, который не является чем-то экстравагантным и непохожим ни на что на Земле», — говорит Джон Глас, автор исследования, опубликованного в Nature, и руководитель группы синтетических биологов при институте Дж. Крейга Вентера (JCVI) в Калифорнии, которая первой разработала минимальную клетку.

Что если мы «спустим её с поводка»?

Так же как и физики XIX и XX веков использовали водород, простейший из атомов, чтобы сделать исторические открытия о материи, синтетические биологи разрабатывают минимальные клетки, чтобы изучить основные принципы жизни. Цель была достигнута в 2016 году, когда Гласс и его коллеги получили минимальную клетку, JCVI-syn.3.0. Они смоделировали её по образу Mycoplasma mycoides, которая паразитирует на козах и сама по себе обходится очень маленьким геномом. В 2010 году эта команда разработала JCVI-syn 1.0, синтетическую версию природной бактериальной клетки. Используя её в качестве руководства, они составили список генов, признанных незаменимыми, собрали их в дрожжевой клетке и затем перенесли новый геном на близкородственную бактериальную клетку, в которой была стёрта «родная» ДНК.

Два года спустя на конференции в Новой Англии Джей Леннон, биолог-эволюционист из Университета Индианы в Блумингтоне, слушал выступление Клайда Хатчисона, почётного профессора JCVI, который возглавлял команду по разработке минимальной клетки. Впоследствии Леннон спросил его: «Что произойдёт, если вы дадите этому организму свободу?» То есть, что случилось бы с минимальными клетками, если бы они подверглись давлению естественного отбора, как бактерии в дикой природе?

Для Леннона как для биолога-эволюциониста вопрос был очевиден. Но после того, как он и Хатчисон подумали над ним несколько минут, стало ясно, что ответ отнюдь не очевиден.

Минимальная клетка — это «тип жизни, искусственной, но всё-таки жизни», сказал Леннон, поскольку она отвечает самому основному определению жизни — она способна воспроизводиться и расти. Таким образом, она должна отвечать на эволюционные стимулы так же, как и гориллы, лягушки, грибы и все остальные организмы. Но глобальная гипотеза состояла в том, что облегчённый геном может «нарушить способность этого организма адаптивно эволюционировать», пояснил Леннон.

Однако, никто не мог представить, что на самом деле произойдёт, поскольку обычно исследователи тщательно следили за тем, чтобы минимальные клетки не эволюционировали. Когда образцы клеток поставляются JCVI в любую из примерно 70 лабораторий, которые теперь с ними работают, они приходят в первозданном виде и замороженными до температуры в -80 градусов Цельсия. Когда они распаковываются, это похоже на их первый день на Земле, говорит Леннон: «Это новёхонькие клетки, не видевшие ни дня эволюции».

Вскоре после их знакомства, Хатчисон связал Леннона с Глассом, который поделился образцами минимальных клеток своей команды с лабораторией Леннона в Индиане. Затем Леннон и Рой Могер-Райшер, его тогдашний аспирант, приступили к работе.

Испытание оптимизированных клеток

Они начали с эксперимента, целью которого было измерение скорости мутаций в минимальных клетках. Они повторно переносили крупицы растущей популяции минимальных клеток в чашки Петри, что позволило клеткам расти без таких ограничивающих обстоятельств, как конкуренция. Они обнаружили, что минимальная клетка мутировала со скоростью, сравнимой с искусственно созданной M. mycoides, что является самым высоким зарегистрированным показателем скорости бактериальной мутации.

Мутации у двух организмов были весьма схожи, но исследователи заметили, что естественная погрешность в мутациях у минимальной клетки была превышена. У клеток M. mycoides вероятность переключения в генетическом коде A или T на G или C была в 30 раз выше, чем в обратном направлении. В минимальной клетке, эта вероятность была в 100 раз выше. Вероятным объяснением будет то, что некоторые гены, удалённые в ходе процесса минимизации, обычно препятствуют этой мутации.

Во второй серии экспериментов, вместо того, чтобы культивировать небольшую группу клеток, исследователи наблюдали плотные популяции клеток на протяжении 300 дней (2000 поколений). Этим обеспечивались большая конкурентность и естественный отбор, удачные мутации и возникновение генетических вариантов, которыми в итоге обладали все клетки.

Чтобы измерить приспособляемость клеток, измеряли максимальную скорость их роста каждые 65—130 поколений. Чем быстрее клетки росли, тем больше дочерних клеток они производили для следующего поколения. Чтобы сравнить приспособляемость эволюционировавших и неэволюционировавших минимальных клеток, исследователи заставили их соперничать с бактериями-предками. Они измерили количество клеток в начале эксперимента и через 24 часа.

Они подсчитали, что исходная минимальная клетка потеряла 53% своей относительной приспособляемости вместе с несущественными генами. Минимизация «сделала клетку больной», сказал Леннон. Однако к концу экспериментов минимальные клетки вернули себе всю эту приспособляемость. Они могли состязаться с бактериями-клетками на равных.

«Я был потрясён», — сказал Энтони Веккьярелли, микробиолог из Мичиганского университета, не принимавший участия в исследовании. — «Можно подумать, что если у вас есть только необходимые гены, вы действительно ограничили объём эволюции, которая… может пойти в положительном направлении».

И всё же, сила естественного отбора была очевидна: он быстро оптимизировал жизнеспособность даже у простейших автономных организмов, у которых полностью или почти полностью отсутствовала гибкость для мутаций. Когда Леннон и Могер-Райшер скорректировали относительную приспособленность организмов, они обнаружили, что минимальные клетки развивались на 39% быстрее, чем синтетические бактерии M. mycoides, от которых они произошли.

Компромисс между страхом и жадностью

Исследование стало «невероятно стимулирующим работу мысли» первым шагом, сказал Веккьярелли. Неизвестно, что бы произошло, если бы клетки продолжили эволюционировать: вернули бы они часть генов или сложности, утраченные в процессе минимизации? В конце концов, сама по себе минимальная клетка до сих пор частично остаётся загадкой. Функции около 80 генов, необходимых для её выживания, — неизвестны.

Результаты исследования также ставят вопросы о том, какие гены должны оставаться в минимальной клетке, чтобы естественный отбор и эволюция продолжались.

С 2016 года команда JCVI вернула некоторые несущественные гены, чтобы помочь минимальным клеточным линиям расти и делиться подобно естественным клеткам. До того, как они это сделали, JCVI-syn3.0 росла и делилась на странные формы — явление, которое Гласс и его команда исследуют, чтобы увидеть, делятся ли их минимальные клетки так же, как это делали первичные клетки.

Исследователи обнаружили, что большинство полезных мутаций, которым в их экспериментах способствовал естественный отбор, происходили в незаменимых генах. Но одна критическая мутация произошла в несущественном гене под названием ftsZ, который кодирует белок, регулирующий деление клеток. Когда он мутировал в M. mycoides, бактерия выросла на 80%. Любопытно, что та же самая мутация в минимальной клетке не увеличила её размер. «Это показывает, как мутации могут иметь разные функции в зависимости от клеточного контекста», — сказал Леннон.

В дополнительном исследовании, которое было принято iScience, но ещё не опубликовано (ситуация на начало октября 2023 года), группа под руководством Бернхарда Палссона из Калифорнийского университета в Сан-Диего сообщила об аналогичных результатах экспериментов с вариантом той же минимальной клетки. Они не обнаружили мутации ftsZ в своих эволюционировавших минимальных клетках, но обнаружили аналогичные мутации в других генах, которые управляют клеточным делением; что напоминает, что существует множество способов достижения биологического результата, сказал Палссон.

Исследователи не смотрели на размер клеток, но проверяли, какие гены экспрессировались до, во время и после эпизода эволюции. Они наблюдали «компромисс между страхом и жадностью» — тенденцию, также наблюдаемую у природных бактерий, вызывать мутации в генах, которые помогут им расти, а не мутации, которые будут производить больше восстанавливающих ДНК белков для исправления ошибок.

Здесь вы можете видеть, что «мутации, как правило, отражают клеточные процессы, необходимые для улучшения функции», — сказал Палссон.

Демонстрация того, что минимальная клетка может развиваться подобно клеткам с естественным геномом, была важна, потому что это подтвердило, «насколько хорошо она представляет жизнь в целом», — сказала Зиа. Для многих исследователей весь смысл минимальной клетки заключается в том, чтобы служить чрезвычайно полезным руководством для понимания более сложных природных клеток и правил, которым они следуют.

Другие исследования также начинают изучать, как минимальные клетки реагируют на естественное давление. В 2021 году группа исследователей сообщила в iScience, что минимальные клетки могут быстро вырабатывать устойчивость к различным антибиотикам, точно так же, как и обычные бактерии.

Знание того, какие гены с большей вероятностью будут мутировать и приводить к полезным адаптациям, может когда-нибудь помочь исследователям в разработке лекарств и создании бактерий с заданными свойствами. Чтобы создать надёжные синтетические формы жизни, обладающие очень разными способностями, биологи-эволюционисты и синтетические биологи должны работать вместе, «потому что независимо от того, насколько она синтетическая, это всё равно биология, а биология развивается», — заключает Кейт Адамала.