Ngay cả các dạng sống tổng hợp có bộ gen nhỏ cũng có thể tiến hóa | Tạp chí lượng tử

Bảy năm trước, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể loại bỏ các tế bào đến mức cơ bản nhất, tạo ra một dạng sống có bộ gen nhỏ nhất mà vẫn cho phép nó phát triển và phân chia trong phòng thí nghiệm. Nhưng khi giảm một nửa tải trọng di truyền, tế bào “tối thiểu” đó cũng mất đi một số tính cứng rắn và khả năng thích ứng mà sự sống tự nhiên đã phát triển qua hàng tỷ năm. Điều đó khiến các nhà sinh vật học tự hỏi liệu quá trình giảm thiểu có phải chỉ là hành trình một chiều hay không: Khi cắt tỉa các tế bào xuống mức tối thiểu cần thiết, liệu họ có khiến các tế bào không có khả năng tiến hóa vì chúng không thể sống sót sau một sự thay đổi dù chỉ một gen nữa hay không?

Bây giờ chúng ta có bằng chứng rằng ngay cả một trong những sinh vật tự tái tạo yếu nhất, đơn giản nhất trên hành tinh cũng có thể thích nghi. Chỉ trong 300 ngày tiến hóa trong phòng thí nghiệm, tương đương với 40,000 năm của con người, các tế bào sởi tối thiểu đã lấy lại được tất cả thể lực mà chúng đã hy sinh, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Indiana Gần đây báo cáo trên tạp chí Thiên nhiên. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các tế bào phản ứng với áp lực chọn lọc cũng như các vi khuẩn nhỏ mà chúng được tạo ra. Một nhóm nghiên cứu thứ hai tại Đại học California, San Diego đã đưa ra kết luận tương tự một cách độc lập trong công việc đã được chấp nhận để xuất bản.

“Hóa ra sự sống, ngay cả sự sống yếu ớt đơn giản như một tế bào tối thiểu, lại mạnh mẽ hơn chúng ta tưởng rất nhiều,” ông nói Kate Adamala, một nhà hóa sinh và trợ lý giáo sư tại Đại học Minnesota, người không tham gia vào cả hai nghiên cứu. “Bạn có thể ném đá vào nó, và nó vẫn sẽ sống sót.” Ngay cả trong một bộ gen mà mỗi gen đơn lẻ đều phục vụ một mục đích và một sự thay đổi dường như sẽ gây bất lợi, thì quá trình tiến hóa cũng tạo ra các sinh vật một cách thích nghi.

“Đó là một thành tựu tuyệt vời,” nói Roseanna Zia, một nhà vật lý tại Đại học Missouri có nghiên cứu nhằm xây dựng một mô hình tế bào tối thiểu dựa trên vật lý và là người không tham gia vào nghiên cứu. Cô ấy nói, công trình mới cho thấy rằng ngay cả khi không có bất kỳ nguồn gen dự phòng nào, các tế bào tối thiểu vẫn có thể tăng cường khả năng thích ứng của chúng bằng những thay đổi ngẫu nhiên trong các gen thiết yếu.

Các thí nghiệm tiến hóa mới đang bắt đầu cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cách các sinh vật nhỏ nhất, đơn giản nhất có thể tiến hóa — và cách các nguyên tắc tiến hóa hợp nhất mọi dạng sống, thậm chí cả những điều mới lạ về gen được phát triển trong phòng thí nghiệm. John Glass, một tác giả của nghiên cứu cho biết: “Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy [tế bào tối thiểu] này là một sinh vật không phải là thứ gì đó kỳ lạ và không giống như phần còn lại của sự sống trên Trái đất. Thiên nhiên nghiên cứu và là trưởng nhóm sinh học tổng hợp tại Viện J. Craig Venter (JCVI) ở California, người đầu tiên thiết kế tế bào tối thiểu.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta 'Thả lỏng'?

Giống như các nhà vật lý thế kỷ 19 và 20 đã sử dụng hydro, nguyên tử đơn giản nhất trong tất cả các nguyên tử, để thực hiện những khám phá quan trọng về vật chất, các nhà sinh học tổng hợp đã và đang phát triển các tế bào tối thiểu để nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của sự sống. Mục tiêu đó đã được hiện thực hóa vào năm 2016 khi Glass và các đồng nghiệp của ông tạo ra một tế bào tối thiểu, JCVI-syn3.0. Họ mô hình hóa nó sau mycoplasma mycoides, một loại vi khuẩn ký sinh ở dê đã tồn tại với bộ gen rất nhỏ. Năm 2010, nhóm đã thiết kế JCVI-syn1.0, một phiên bản tổng hợp của tế bào vi khuẩn tự nhiên. Sử dụng nó như một hướng dẫn, họ đã lập một danh sách các gen được biết là thiết yếu, lắp ráp chúng trong một tế bào nấm men và sau đó chuyển bộ gen mới đó vào một tế bào vi khuẩn có liên quan chặt chẽ đã được loại bỏ DNA ban đầu của nó.

Hai năm sau tại một hội nghị ở New England, Jay lennon, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Indiana Bloomington, đã lắng nghe bài nói chuyện từ Clyde Hutchison, một giáo sư danh dự tại JCVI, người đã lãnh đạo nhóm thiết kế tế bào tối thiểu. Sau đó, Lennon hỏi anh ta, "Điều gì xảy ra khi bạn thả sinh vật này ra?" Đó là, điều gì sẽ xảy ra với các tế bào tối thiểu nếu chúng chịu áp lực chọn lọc tự nhiên như vi khuẩn trong tự nhiên?

Đối với Lennon với tư cách là một nhà sinh vật học tiến hóa, câu hỏi này là một câu hỏi hiển nhiên. Nhưng sau khi cả anh và Hutchison cân nhắc trong vài phút, rõ ràng là câu trả lời là không.

Tế bào tối thiểu “là một loại sự sống — đó là một loại sự sống nhân tạo, nhưng nó vẫn là sự sống,” Lennon nói, bởi vì nó đáp ứng định nghĩa cơ bản nhất về sự sống là thứ có thể sinh sản và phát triển. Do đó, nó phải phản ứng với áp lực tiến hóa giống như khỉ đột, ếch, nấm và tất cả các sinh vật khác. Nhưng giả thuyết bao trùm là bộ gen sắp xếp hợp lý có thể “làm tê liệt khả năng tiến hóa thích ứng của sinh vật này,” Lennon nói.

Tuy nhiên, không ai có manh mối điều gì sẽ thực sự xảy ra, bởi vì các nhà nghiên cứu thường rất cẩn thận để ngăn các tế bào tối thiểu phát triển. Khi các mẫu tế bào được JCVI phân phối tới bất kỳ phòng thí nghiệm nào trong số khoảng 70 phòng thí nghiệm hiện đang làm việc với chúng, chúng sẽ được phân phối nguyên vẹn và đông lạnh ở nhiệt độ âm 80 độ C. Khi bạn lấy chúng ra, nó giống như ngày đầu tiên của chúng trên Trái đất, Lennon nói: “Đây là những tế bào hoàn toàn mới chưa từng thấy một ngày tiến hóa nào.”

Ngay sau cuộc gặp gỡ của họ, Hutchison đã giúp Lennon liên lạc với Glass, người đã chia sẻ các mẫu tế bào tối thiểu của nhóm mình với phòng thí nghiệm của Lennon ở Indiana. Sau đó Lennon và Roy Moger-Reischer, sinh viên tốt nghiệp của anh ấy vào thời điểm đó, đã bắt tay vào việc.

Kiểm tra các ô được sắp xếp hợp lý

Họ bắt đầu với một thí nghiệm nhằm đo tốc độ đột biến trong các tế bào tối thiểu. Họ liên tục chuyển một phần của quần thể tế bào tối thiểu đang phát triển vào đĩa petri, giúp giải phóng các tế bào phát triển mà không hạn chế các ảnh hưởng như cạnh tranh. Họ phát hiện ra rằng tế bào tối thiểu bị đột biến với tốc độ tương đương với tốc độ của tế bào được thiết kế. M. mycoides - đây là tỷ lệ đột biến vi khuẩn cao nhất được ghi nhận.

Các đột biến ở hai sinh vật khá giống nhau, nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng xu hướng đột biến tự nhiên đã được phóng đại trong tế bào tối thiểu. bên trong M. mycoides các tế bào, một đột biến có khả năng chuyển đổi A hoặc T trong mã di truyền thành G hoặc C cao gấp 30 lần so với chiều ngược lại. Trong ô tối thiểu, nó có khả năng cao gấp 100 lần. Lời giải thích có thể xảy ra là một số gen bị loại bỏ trong quá trình giảm thiểu thường ngăn chặn đột biến đó.

Trong loạt thí nghiệm thứ hai, thay vì chuyển một nhóm tế bào nhỏ, các nhà nghiên cứu đã chuyển các quần thể tế bào dày đặc trong 300 ngày và 2,000 thế hệ. Điều đó cho phép xảy ra nhiều cạnh tranh và chọn lọc tự nhiên hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho các đột biến có lợi và sự xuất hiện của các biến thể di truyền mà cuối cùng đã xuất hiện trong tất cả các tế bào.

Để đo mức độ phù hợp của các tế bào, họ đã tính tốc độ tăng trưởng tối đa của chúng sau mỗi 65 đến 130 thế hệ. Các tế bào phát triển càng nhanh, chúng càng tạo ra nhiều tế bào con cho thế hệ tiếp theo. Để so sánh khả năng thích nghi của các tế bào tối thiểu đã tiến hóa và chưa tiến hóa, các nhà nghiên cứu đã khiến chúng cạnh tranh với vi khuẩn tổ tiên. Họ đã đo mức độ phong phú của các tế bào khi bắt đầu thí nghiệm và sau 24 giờ.

Họ tính toán rằng tế bào tối thiểu ban đầu đã mất 53% thể lực tương đối cùng với các gen không thiết yếu của nó. Lennon nói, việc giảm thiểu đã “làm cho tế bào bị bệnh”. Tuy nhiên, vào cuối các thí nghiệm, các tế bào tối thiểu đã phát triển trở lại tất cả các thể lực đó. Họ có thể đối đầu trực tiếp với vi khuẩn tổ tiên.

“Điều đó đã thổi bay tâm trí của tôi,” nói Anthony Vecchiarelli, một nhà vi trùng học tại Đại học Michigan, người không tham gia vào nghiên cứu. “Bạn sẽ nghĩ rằng nếu bạn chỉ có những gen thiết yếu, thì bây giờ bạn đã thực sự hạn chế mức độ tiến hóa mà… có thể đi theo hướng tích cực.”

Tuy nhiên, sức mạnh của chọn lọc tự nhiên là rõ ràng: Nó nhanh chóng tối ưu hóa thể lực ở ngay cả những sinh vật tự trị đơn giản nhất, vốn có rất ít hoặc không có khả năng đột biến. Khi Lennon và Moger-Reischer điều chỉnh mức độ phù hợp tương đối của các sinh vật, họ phát hiện ra rằng các tế bào tối thiểu tiến hóa nhanh hơn 39% so với các tế bào tổng hợp. M. mycoides vi khuẩn mà từ đó chúng được tạo ra.

Đánh đổi giữa sợ hãi và tham lam

Vecchiarelli cho biết nghiên cứu này là một bước đầu tiên “cực kỳ kích thích tư duy”. Không rõ điều gì sẽ xảy ra nếu các tế bào tiếp tục phát triển: Liệu chúng có lấy lại được một số gen hoặc độ phức tạp mà chúng đã mất trong quá trình tối thiểu hóa hay không? Xét cho cùng, bản thân tế bào tối thiểu vẫn còn là một điều bí ẩn. Khoảng 80 gen cần thiết cho sự tồn tại của nó không có chức năng đã biết.

Những phát hiện này cũng đặt ra câu hỏi về những gen nào cần ở trong tế bào tối thiểu để quá trình chọn lọc tự nhiên và tiến hóa diễn ra.

Kể từ năm 2016, nhóm JCVI đã thêm lại một số gen không cần thiết để giúp các dòng tế bào tối thiểu phát triển và phân chia giống như tế bào tự nhiên hơn. Trước khi họ làm điều đó, JCVI-syn3.0 đã phát triển và phân chia thành những hình dạng kỳ lạ, một hiện tượng mà Glass và nhóm của ông đang nghiên cứu để xem liệu các tế bào tối thiểu của chúng có phân chia theo cách mà các tế bào nguyên thủy đã phân chia hay không.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hầu hết các đột biến có lợi do chọn lọc tự nhiên ưa chuộng trong các thí nghiệm của họ đều nằm trong các gen thiết yếu. Nhưng một đột biến quan trọng là ở một gen không thiết yếu được gọi là ftsZ, mã hóa cho một loại protein điều hòa sự phân chia tế bào. Khi nó đột biến trong M. mycoides, vi khuẩn đã phát triển lớn hơn 80%. Thật kỳ lạ, cùng một đột biến trong tế bào tối thiểu không làm tăng kích thước của nó. Điều đó cho thấy các đột biến có thể có các chức năng khác nhau như thế nào tùy thuộc vào bối cảnh tế bào, Lennon nói.

Trong một học bổ sung, đã được chấp nhận bởi iScience nhưng chưa được công bố, một nhóm dẫn đầu bởi Bernhard Palsson tại Đại học California, San Diego đã báo cáo các kết quả tương tự từ các thí nghiệm trên một biến thể của cùng một tế bào tối thiểu. Họ không tìm thấy một ftsZ Palsson cho biết, đột biến trong các tế bào tối thiểu đã tiến hóa của chúng, nhưng họ đã tìm thấy các đột biến tương tự ở các gen khác chi phối quá trình phân chia tế bào, nhấn mạnh quan điểm rằng có nhiều cách để đạt được kết quả sinh học.

Họ không xem xét kích thước tế bào, nhưng họ kiểm tra xem gen nào được biểu hiện trước, trong và sau giai đoạn tiến hóa. Họ đã quan sát thấy một “sự đánh đổi giữa sợ hãi và tham lam”, một xu hướng cũng được thấy ở vi khuẩn tự nhiên là tiến hóa các đột biến gen giúp nó phát triển hơn là các đột biến tạo ra nhiều protein sửa chữa DNA hơn để sửa lỗi.

Ở đây, bạn có thể thấy rằng “các đột biến có xu hướng phản ánh các quá trình tế bào cần thiết để cải thiện một chức năng,” Palsson nói.

Zia cho biết việc chứng minh rằng tế bào tối thiểu có thể tiến hóa giống như các tế bào có bộ gen tự nhiên hơn là rất quan trọng vì nó xác nhận “nó đại diện cho sự sống nói chung tốt như thế nào,” Zia nói. Đối với nhiều nhà nghiên cứu, toàn bộ mục đích của tế bào tối thiểu là phục vụ như một hướng dẫn cực kỳ hữu ích để hiểu các tế bào tự nhiên phức tạp hơn và các quy tắc mà chúng tuân theo.

Các nghiên cứu khác cũng đang bắt đầu thăm dò cách các tế bào tối thiểu phản ứng với áp lực tự nhiên. Một nhóm báo cáo trong iScience vào năm 2021 rằng các tế bào tối thiểu có thể nhanh chóng phát triển khả năng kháng các loại kháng sinh khác nhau, giống như vi khuẩn.

Biết được gen nào có nhiều khả năng đột biến hơn và dẫn đến sự thích nghi hữu ích một ngày nào đó có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế các loại thuốc cải thiện hiệu quả hoạt động của chúng trong cơ thể theo thời gian. Để xây dựng các dạng sống tổng hợp mạnh mẽ có những khả năng rất khác nhau, các nhà sinh học tiến hóa và các nhà sinh học tổng hợp phải làm việc cùng nhau, “bởi vì cho dù bạn có chế tạo nó bao nhiêu đi chăng nữa, nó vẫn là sinh học và sinh học tiến hóa,” Adamala nói.