Направленная эволюция: ученые сделали колонии дрожжей в 20 000 раз крупнее и в 10 000 раз прочнее
Представление об эволюционном «недостающем звене» обычно вызывает в воображении образ волосатого обезьяноподобного гоминида, но на самом деле недостающие звенья в цепи гораздо более глубокие. Один из самых больших разрывов находится между одноклеточными и многоклеточными организмами, что знаменует собой ключевой шаг в развитии сложной жизни на Земле.
Теперь ученые из Технологического института Джорджии сообщили о первых результатах эксперимента, который они надеются продолжать в течение десятилетий с довольно высокой целью — превратить одноклеточные формы жизни в совершенно новые многоклеточные организмы. Эксперименты по направленной эволюции проводились десятилетиями, и даже получили Нобелевскую премию по химии в 2018 году, но обычно они направлены на создание новых лекарств или решение других проблем, а не на затыкание дыр в нашем далеком генеалогическом древе.
В этой первой фазе эксперимента по долгосрочной эволюции многоклеточности (MuLTEE) исследователи начали с вида, называемого дрожжами-снежинками. Микробы выращивались в инкубаторах, и каждый день команда проводила этап искусственного естественного отбора — колонии, которые росли быстрее всего и достигали самых больших размеров, отбирались для дальнейшего культивирования. Повторите этот процесс тысячи раз, и вы получите довольно хорошее представление о силах окружающей среды, которые благоприятствуют определенным характеристикам в естественной эволюции.
И действительно, примерно через 3000 поколений дрожжи развились и образовали кластеры из более чем 500 000 клеток, что более чем в 20 000 раз больше, чем исходный штамм. В процессе они стали видны невооруженным глазом и стали примерно в 10 000 раз прочнее, сравнившись с древесиной.
Ученые провели более тщательное исследование, чтобы выяснить, что произошло на клеточном уровне, что дало им такой впечатляющий прогресс. Они обнаружили, что все отдельные дрожжевые клетки вытянулись, что уменьшило плотность клеток в каждой группе и, таким образом, уменьшило нагрузку, которую они оказывали друг на друга. Это удерживает кластеры от разрушения, как это обычно происходит при определенной плотности, позволяя им расти больше.
Но этот механизм сам по себе не должен был привести к такому резкому увеличению, говорит команда. Поэтому они посмотрели еще ближе, используя сканирующий электронный микроскоп.
«Мы обнаружили, что существует совершенно новый физический механизм, который позволяет группам расти до очень и очень больших размеров. Ветви дрожжей запутались — кластерные клетки стали вести себя как виноградная лоза, обвивая друг друга и укрепляя всю структуру» — рассказал Озан Боздаг, первый автор исследования.
Хотя у «эволюционировавших» дрожжей по-прежнему отсутствуют многие биологические черты настоящих многоклеточных организмов, это клеточное запутывание кажется важной вехой на пути к этой цели. Эксперимент еще далек от завершения, так что дальнейшие разработки, скорее всего, не за горами.