摘要：一項(xiàng)研究利用合成的“最小細(xì)胞"生物體，將其剝離為生命的“最基本要素",，證明了生物體進(jìn)化和適應(yīng)能力的堅(jiān)韌性,，即使面對(duì)一個(gè)似乎沒(méi)有什么靈活性的非自然基因組,。
“聽(tīng)著，如果說(shuō)進(jìn)化史教會(huì)了我們一件事,，那就是生命不會(huì)被束縛。生命是自由的,，它能擴(kuò)展到新的領(lǐng)域,，也許過(guò)程是危險(xiǎn)的，但它還是會(huì)沖破障礙,，“Ian Malcolm說(shuō),，他在《侏羅紀(jì)公園》中飾演Jeff Goldblum，這是一部1993年的科幻電影,，講述的是一個(gè)有活恐龍的公園,。
在進(jìn)化生物學(xué)家Jay T. Lennon的實(shí)驗(yàn)室中，你找不到任何迅猛龍的蹤跡,。但是Lennon和他的同事們發(fā)現(xiàn),，生命確實(shí)有自己的方式。Lennon的研究小組一直在研究一種人工合成的最小細(xì)胞,，這種細(xì)胞除了基本基因外,，其他所有基因都被剝離了。研究小組發(fā)現(xiàn),，這種簡(jiǎn)化版細(xì)胞的進(jìn)化速度和正常細(xì)胞一樣快——這證明了生物體的適應(yīng)能力,，即使是一個(gè)看似沒(méi)有什么靈活性的非自然基因組。
圖1 研究小組發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化版細(xì)胞的進(jìn)化速度和正常細(xì)胞一樣快
Lennon說(shuō):“似乎生命中存在著某種非常強(qiáng)大的東西,。我們可以將其簡(jiǎn)化為最基本的要素,，但這并不能阻止進(jìn)化的發(fā)生。"
在他們的研究中,，Lennon的團(tuán)隊(duì)使用了一種合成生物,，即Mycoplasma mycoides JCVI-syn3B-a，這是山羊和類似動(dòng)物腸道中常見(jiàn)的Mycoplasma mycoides的最小化版本,。幾千年來(lái),，這種寄生細(xì)菌在進(jìn)化到依賴宿主獲取營(yíng)養(yǎng)的過(guò)程中，自然失去了許多基因,。加州J. Craig Venter研究所的研究人員在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,。2016年，他們從天然mycoides基因組中消除了901個(gè)基因中的45%,，將其減少到自主細(xì)胞生命所需的最小基因集,。mycoides JCVI-syn3B的最小基因組只有493個(gè)基因，是所有已知的自由生物中最小的,。相比之下,，許多動(dòng)物和植物基因組包含超過(guò)20,000個(gè)基因,。
原則上，最(空)簡(jiǎn)單的有機(jī)體不會(huì)有功能冗余,，只擁有生命所必需的最少數(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(xì)胞功能，從而限制其進(jìn)化,。具有簡(jiǎn)化版基因組的生物體有較少的正選擇作用的目標(biāo),，從而限制了適應(yīng)的機(jī)會(huì)。
盡管M.mycoides JCVI-syn3B可以在實(shí)驗(yàn)室條件下生長(zhǎng)和分裂,，但Lennon和他的同事們想知道,，一個(gè)最小的細(xì)胞如何隨著時(shí)間的推移對(duì)進(jìn)化的力量做出反應(yīng)，特別是考慮到自然選擇所依賴的原料有限,，以及新突變的未知輸入,。
Lennon說(shuō)，“它的基因組中的每一個(gè)基因都是必(空)不可少的,，人們可以假設(shè)沒(méi)有突變的回旋余地,，這可能會(huì)限制其進(jìn)化的潛力。"
研究人員證實(shí),，事實(shí)上,，JCVI-syn3B具有異常高的突變率。隨后他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)它,，讓它自由進(jìn)化300天,，相當(dāng)于2000代細(xì)菌或大約4萬(wàn)年的人類進(jìn)化。
圖2 最小細(xì)胞和非最小細(xì)胞的突變率和突變譜
下一步是建立實(shí)驗(yàn),，確定已經(jīng)進(jìn)化了300天的最小細(xì)胞與原始的,、非最小的mycoides以及沒(méi)有進(jìn)化300天的最小細(xì)胞株相比表現(xiàn)如何。在對(duì)比測(cè)試中,，研究人員將等量的被評(píng)估菌株一起放入試管中,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)更適合其環(huán)境的菌株成為更常見(jiàn)的菌株。
他們發(fā)現(xiàn)非最小版本的細(xì)菌很容易勝過(guò)未進(jìn)化的最小版本,。然而,，進(jìn)化了300天的最小細(xì)菌表現(xiàn)得更好，有效地恢復(fù)了由于基因組精簡(jiǎn)而失去的所有適應(yīng)性,。研究人員確定了在進(jìn)化過(guò)程中變化最大的基因,。其中一些基因參與構(gòu)建細(xì)胞表面，而其他幾個(gè)基因的功能尚不清楚,。
有關(guān)這項(xiàng)研究的細(xì)節(jié)可以在《自然》雜志最近刊登的一篇論文中找到,。Roy Z. Moger-Reischer是這篇論文的第一作者。
了解具有簡(jiǎn)化基因組的生物體如何克服進(jìn)化挑戰(zhàn)對(duì)生物學(xué)中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題具有重要意義,，這些問(wèn)題包括臨床病原體的治療,、宿主相關(guān)內(nèi)共生體的持久性,、工程微生物的改進(jìn)以及生命本身的起源。Lennon和他的團(tuán)隊(duì)所做的研究證明了自然選擇在最(空)簡(jiǎn)單的自主有機(jī)體中迅速優(yōu)化適應(yīng)性的力量,，這對(duì)細(xì)胞復(fù)雜性的進(jìn)化具有啟示意義,。換句話說(shuō)，它表明生命找到了自己的方式,。
參考資料：
[1] Evolution of a minimal cell.
