Nature证明“生命自有出路”：最小细胞的进化

来源：作者：人气：-发表时间：2023-07-12 10:27:00【大中小】

摘要：一项研究利用合成的“最小细胞”生物体，将其剥离为生命的“最基本要素”，证明了生物体进化和适应能力的坚韧性，即使面对一个似乎没有什么灵活性的非自然基因组。

“听着，如果说进化史教会了我们一件事，那就是生命不会被束缚。生命是自由的，它能扩展到新的领域，也许过程是危险的，但它还是会冲破障碍，“Ian Malcolm说，他在《侏罗纪公园》中饰演Jeff Goldblum，这是一部1993年的科幻电影，讲述的是一个有活恐龙的公园。

在进化生物学家Jay T. Lennon的实验室中，你找不到任何迅猛龙的踪迹。但是Lennon和他的同事们发现，生命确实有自己的方式。Lennon的研究小组一直在研究一种人工合成的最小细胞，这种细胞除了基本基因外，其他所有基因都被剥离了。研究小组发现，这种简化版细胞的进化速度和正常细胞一样快——这证明了生物体的适应能力，即使是一个看似没有什么灵活性的非自然基因组。

图1 研究小组发现简化版细胞的进化速度和正常细胞一样快

Lennon说:“似乎生命中存在着某种非常强大的东西。我们可以将其简化为最基本的要素，但这并不能阻止进化的发生。”

在他们的研究中，Lennon的团队使用了一种合成生物，即Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B-a，这是山羊和类似动物肠道中常见的Mycoplasma mycoides的最小化版本。几千年来，这种寄生细菌在进化到依赖宿主获取营养的过程中，自然失去了许多基因。加州J. Craig Venter研究所的研究人员在此基础上更进一步。2016年，他们从天然mycoides基因组中消除了901个基因中的45%，将其减少到自主细胞生命所需的最小基因集。mycoides JCVI-syn3B的最小基因组只有493个基因，是所有已知的自由生物中最小的。相比之下，许多动物和植物基因组包含超过20,000个基因。

原则上，最简单的有机体不会有功能冗余，只拥有生命所必需的最少数量的基因。这种生物的任何突变都可能致命地破坏一种或多种细胞功能，从而限制其进化。具有简化版基因组的生物体有较少的正选择作用的目标，从而限制了适应的机会。

尽管M.mycoides JCVI-syn3B可以在实验室条件下生长和分裂，但Lennon和他的同事们想知道，一个最小的细胞如何随着时间的推移对进化的力量做出反应，特别是考虑到自然选择所依赖的原料有限，以及新突变的未知输入。

Lennon说，“它的基因组中的每一个基因都是必不可少的，人们可以假设没有突变的回旋余地，这可能会限制其进化的潜力。”

研究人员证实，事实上，JCVI-syn3B具有异常高的突变率。随后他们在实验室里培养它，让它自由进化300天，相当于2000代细菌或大约4万年的人类进化。

图2 最小细胞和非最小细胞的突变率和突变谱

下一步是建立实验，确定已经进化了300天的最小细胞与原始的、非最小的mycoides以及没有进化300天的最小细胞株相比表现如何。在对比测试中，研究人员将等量的被评估菌株一起放入试管中，结果发现更适合其环境的菌株成为更常见的菌株。

他们发现非最小版本的细菌很容易胜过未进化的最小版本。然而，进化了300天的最小细菌表现得更好，有效地恢复了由于基因组精简而失去的所有适应性。研究人员确定了在进化过程中变化最大的基因。其中一些基因参与构建细胞表面，而其他几个基因的功能尚不清楚。

有关这项研究的细节可以在《自然》杂志最近刊登的一篇论文中找到。Roy Z. Moger-Reischer是这篇论文的第一作者。

了解具有简化基因组的生物体如何克服进化挑战对生物学中长期存在的问题具有重要意义，这些问题包括临床病原体的治疗、宿主相关内共生体的持久性、工程微生物的改进以及生命本身的起源。Lennon和他的团队所做的研究证明了自然选择在最简单的自主有机体中迅速优化适应性的力量，这对细胞复杂性的进化具有启示意义。换句话说，它表明生命找到了自己的方式。

参考资料：

[1] Evolution of a minimal cell.