多细胞生命起源之旅:实验室中单细胞群向多细胞的长期实验进化

来源：作者：人气：-发表时间：2023-05-12 10:24:00【大中小】

摘要：经过3000多代的实验室进化，佐治亚理工学院的研究人员观察到他们的模式生物“雪花酵母”开始适应成为多细胞群体。

如果没有多细胞生物，这个世界看起来会非常不同——如果除去植物、动物、真菌和海藻，地球初始看起来像一个更湿润、更环保的火星。但多细胞生物究竟是如何从单细胞祖先进化而来的，人们仍然知之甚少。这种转变发生在数亿年前，早期的多细胞物种大部分都灭绝了。

为了研究多细胞生命是如何从零开始进化的，佐治亚理工学院的研究人员决定将进化掌握在自己手中。在生物科学学院副教授、定量生物科学跨学科研究生项目主任William Ratcliff的带领下，一组研究人员启动了第一个长期进化实验，旨在从实验室的单细胞祖先进化出新的多细胞生物。

经过3000多代的实验室进化，研究人员观察到他们的模式生物“雪花酵母（snowflake yeast）”开始适应成为多细胞个体。在发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究小组展示了雪花酵母是如何进化成更强壮的，比原先大2万多倍的多细胞群体。这种类型的生物物理进化是那种可以用肉眼看到的大型多细胞生命的先决条件。他们的研究是正在进行的多细胞长期进化实验(MuLTEE)的第一份主要报告，该团队希望能持续几十年。

图1 研究小组展示了雪花酵母是如何进化成更强壮的多细胞群体

Ratcliff说:“从概念上讲，我们想要了解的是，简单的细胞群是如何进化成有机体的，它们具有特化、协调生长、涌现的多细胞行为和生命周期——这些是区分一堆池塘浮渣和能够持续进化的有机体的东西。”“了解这个过程是我们这个领域的一个主要目标。”

多细胞长期进化实验

Ratcliff小组的前博士后研究员、该论文的第一作者Ozan Bozdag于2018年启动了MuLTEE，从单细胞雪花酵母开始。Bozdag在摇瓶培养箱中培养酵母，每天选择更快的生长速度和更大的群体规模。

研究小组根据生物体的大小进行选择，因为所有的多细胞谱系一开始都是小而简单的，随着时间的推移，许多进化得更大更健壮。人们认为，长出又大又结实的身体的能力在增加复杂性方面发挥了作用，因为这需要新的生物物理创新。然而，这一假设从未在实验室中得到直接验证。

经过大约3000代的进化，他们的酵母菌进化形成了比他们祖先大2万多倍的群体。它们从肉眼看不见到果蝇大小，包含超过50万个细胞。单个雪花酵母进化出了新的材料特性:虽然它们开始比明胶还弱，但经过进化变得像木头一样坚固和坚韧。

图2 每个群体和治疗组的大小演变的时间动力学

新的生物物理适应

在研究雪花酵母如何适应变大的过程中，研究人员观察到酵母细胞本身变得细长，减少了细胞的密度。这种细胞伸长减缓了细胞间应力的积累，而应力通常会导致细胞簇断裂，从而使细胞群变得更大。但这一事实本身只会导致尺寸和多细胞韧性的小幅增加。为了揭示允许生长到宏观大小的精确生物物理机制，研究人员需要观察酵母簇内部，以了解细胞如何在物理上相互作用。普通光学显微镜无法穿透大而密集的群体，因此研究人员使用扫描电子显微镜对成千上万的超薄酵母片进行成像，从而获得它们的内部结构。

Bozdag说:“我们发现有一种全新的物理机制使这些群体能够发展到如此庞大的规模。”“酵母的分支已经纠缠在一起——集群细胞进化出了藤蔓状的行为，相互缠绕，加强了整个结构。”

通过简单地选择一个有机体的大小，研究人员发现了如何利用缠结的生物力学机制，最终使酵母作为一种材料的硬度增加了大约1万倍。

“以前已经在完全不同的系统中研究过纠缠，主要是在聚合物中，”物理学院副教授、论文的合著者Peter Yunker说。“但在这里，我们通过一种完全不同的机制看到了纠缠——细胞的生长，而不仅仅是通过它们的运动。”

观察到这种缠结是研究人员理解简单的多细胞群体是如何进化的一个转折点。雪花酵母作为一种全新的多细胞生物，缺乏现代多细胞生物所特有的复杂发育机制。但经过3000代的实验室进化，酵母发现了如何驱动和选择细胞缠结作为一种发育机制。对其他多细胞真菌的初步研究表明，它们也形成高度纠缠的多细胞体，这表明纠缠是多细胞生命分支中广泛而重要的多细胞特征。

图3 宏观雪花酵母是单克隆的，通过永久的母子细胞键生长，而不是聚集。

Ratcliff说:“我真的很高兴有一个模型系统，我们可以利用现代科学的强大力量，在数千代的时间里进化出早期的多细胞生命。”“原则上，我们可以理解正在发生的一切，从进化细胞生物学到直接受选择影响的生物物理特征。”

很长一段时间以来，人类一直在与生物学合作，进化（培育）出新的东西——从我们吃的玉米到家养的狗、鸡和鸽子。根据Ratcliff的说法，他们的团队所做的事情并没有太大的不同。“通过了解单细胞生物进化的规模，我们可以弄清楚它们是如何逐渐进化成更复杂、更整合的多细胞生物的，并可以研究这一过程。”“我们希望这只是多细胞发现的漫长故事的第一章，因为我们将继续在MuLTEE中进化雪花酵母。”

参考资料：

[1] De novo evolution of macroscopic multicellularity