美國印第安納大學(xué)進化生物學(xué)家Jay T. Lennon博士及其研究團隊一直在研究一種人工合成的最小細胞，這種細胞除了它的必需基因之外，其他所有基因都被剔除了。在一項新的研究中，該團隊發(fā)現(xiàn)這種精簡細胞的進化速度與正常細胞一樣快----這就證實了生物的適應(yīng)能力，即使有一種看似沒有什么靈活性的非自然基因組，也是如此。相關(guān)研究結(jié)果于2023年7月5日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Evolution of a minimal cell”。

飾演1993年科幻電影《侏羅紀(jì)公園（Jurassic Park）》中Jeff Goldblum角色的Ian Malcolm說，“聽著，如果說進化史教會了我們一件事，那就是生命是無法被遏制的。生命會掙脫束縛。它擴展到新的領(lǐng)域，它痛苦地，甚至可能危險地沖破障礙，但是......生命會找到一種方式。”

你不會發(fā)現(xiàn)有任何迅猛龍潛伏在Lennon實驗室里；然而，Lennon和他的同事們發(fā)現(xiàn)生命確實找到了一種方式。Lennon說，“看來生命中有一些東西似乎是非常強大的。我們可以將它簡化為最基本的要素，但這并不能阻止進化的發(fā)生?！?/p>

在他們的研究中，Lennon團隊使用了人工合成合成生物--- JCVI-syn3B---一種在山羊和類似動物的腸道中常見的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的最小化版本。幾千年來，這種寄生細菌在進化到依賴其宿主獲得營養(yǎng)物的過程中自然地失去了許多基因。

美國克雷格-文特爾研究所（J. Craig Venter Institute）的科學(xué)家們在這方面更進一步。2016年，他們從天然的絲狀支原體基因組中消除了901個基因中的45%---將它減少到自主細胞生命所需的最小基因集合。就含有的493個基因而言，絲狀支原體JCVI-syn3B的最小基因組是任何已知的自由生活生物中最小的。相比之下，許多動物和植物的基因組包含超過20000個基因。

原則上，最簡單的生物將沒有功能上的冗余，只擁有生命所必需的最低數(shù)量的基因。這種生物的任何突變都可能致命地破壞一種或多種細胞功能，從而對進化造成限制。具有精簡的基因組的生物可用于正向選擇的靶基因較少，因此限制了適應(yīng)的機會。

盡管絲狀支原體JCVI-syn3B可以在實驗室條件下生長和分裂，但是Lennon及其同事想知道具有最小基因組的細胞將如何隨著時間的推移對進化的力量做出反應(yīng)，特別是考慮到自然選擇可以依賴的原材料有限，以及新突變的未知引入。

Lennon在談到絲狀支原體JCVI-syn3B時說，“它的基因組中的每一個基因都是必不可少的。人們可以假設(shè)，沒有突變的回旋余地，這可能會限制它進化的潛力?！?/p>

這些作者確定事實上，絲狀支原體JCVI-syn3B具有特別高的突變率。接著，他們在實驗室里培養(yǎng)它，讓它自由進化300天，相當(dāng)于2000個細菌世代。

下一步是建立實驗以確定進化了300天的這些具有最小基因組的細胞與原始的、基因組未最小化的絲狀支原體以及沒有進化300天的具有最小基因組的細胞品系相比，表現(xiàn)如何。在這些比較實驗中，這些作者將相同數(shù)量的接受評估的菌株放在試管中。更適合其環(huán)境的菌株成為更常見的菌株。

圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06288-x。

這些作者發(fā)現(xiàn)，基因組未最小化的菌株很容易勝過未進化的具有最小基因組的菌株。然而，進化了300天的具有最小基因組的菌株表現(xiàn)得更好，有效地恢復(fù)了它由于基因組精簡而失去的所有適應(yīng)性。他們確定了在進化過程中變化最大的基因。這些基因中的一些參與了細胞表面的構(gòu)建，而其他幾個基因的功能仍然未知。

了解具有精簡基因組的生物如何克服進化挑戰(zhàn)對生物學(xué)中長期存在的問題具有重要意義---包括對臨床病原體感染的治療、與宿主相關(guān)的內(nèi)共生生物的持久性、工程化微生物的優(yōu)化以及生命本身的起源。

Lennon和他的團隊開展的這項新的研究顯示了自然選擇在最簡單的自主生物中迅速優(yōu)化適應(yīng)性的力量，這對細胞復(fù)雜性的進化具有影響。換句話說，這表明生命找到了一種方式。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

R. Z. Moger-Reischer et al. Evolution of a minimal cell. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06288-x.