Искусственные клетки с минимальным геномом быстро адаптировались в процессе эволюции

Американские и бразильские исследователи представили результаты наблюдений за эволюцией клеток с синтезированным искусственно минимальным геномом. За две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах. Статья об этом опубликована в журнале Nature.

В 2010 году сотрудники Института Дж. Крейга Вентера получили первую клетку с полностью искусственным геномом. Для этого они удалили собственную ДНК у бактерии Mycoplasma mycoides и заменили ее на несколько модифицированную, синтезированную в лаборатории. Она состояла примерно из миллиона пар азотистых оснований и содержала 901 ген. Клетка получила название JCVI-syn1.0. После этого исследовали задались целью выяснить, какой минимальный набор генов необходим клетке для самостоятельного выживания и размножения, и стали снабжать клетки все более урезанными геномами. О том, как это происходило, подробно рассказывает материал «Прожиточный минимум», вышедший в 2016 году, когда была создана версия JCVI-syn3.0 с минимальным геномом, который состоял всего из 473 генов. Этого оказалось недостаточно для устойчивого размножения и удобства экспериментов, и несколько генов пришлось добавить. Текущая версия JCVI-syn3B, о которой идет речь в новой работе, содержит 493 гена. На сегодняшний день это организм с наименьшим известным геномом, способный расти в чистой лабораторной культуре.

Джей Ти Леннон (J. T. Lennon) из Университета Индианы с коллегами из Института Дж. Крейга Вентера и других научных центров Бразилии и США сравнили уровень накопления мутаций у организмов с минимальным и не минимальным геномами — JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0. Чтобы минимизировать влияние естественного отбора, их предварительно акклиматизировали в стандартной жидкой питательной среде и последовательно выращивали несколько моноклональных популяций из одной забранной клетки. Оказалось, что среднее число мутаций на нуклеотид за поколение у них практически неразличимо: 3,25 × 10⁻⁸ против 3,13 × 10⁻⁸ (p = 0,667). Это наивысший уровень накопления мутаций, когда-либо зафиксированный у клеточных организмов, что соответствует имеющимся представлениям о том, что при меньшем геноме скорость мутаций выше (а у M. mycoides она высока изначально).

Общее распределение мутаций по типам (инсерции, делеции, однонуклеотидные замены) также оказалось схожим (χ²₂ = 4,16; p = 0,125). Однако состав однонуклеотидных мутаций, которые составляли 88 процентов от общего количества, у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 был разным. В обоих типах клеток замена гуанина или цитозина на аденин или тимин происходила значительно чаще, чем наоборот, однако степень этого неравновесия была разной: в 30 раз при не минимальном геноме и в 100 раз — при минимальном. Вероятно, это связано с отсутствием у последних гена ung, отвечающего за эксцизию неверно встроенного в ДНК урацила.

Выяснив это, исследователи поставили эволюционный эксперимент, пронаблюдав за 2000 поколений в популяции из более чем 10 миллионов клеток. За такой период каждый нуклеотид их генома должен был мутировать более 250 раз, что создает неограниченное генетическое разнообразие для адаптации к среде. Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная разница в путях естественном отборе между популяциями у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 обусловлена только искусственным урезанием генома. Оказалось, что изначально она приводит к снижению максимальной скорости роста примерно наполовину. Однако этот показатель растет линейно со временем, и концу эксперимента приспособляемость клеток в двух группах практически сравнялась, а если оценивать ее относительно, то клетки с минимальным геномом эволюционировали на 39 процентов быстрее, и генетические паттерны эволюционных путей у них отличались.

Наиболее выраженной особенностью JCVI-syn3B стало то, что в процессе эволюции их клетки не увеличивались в размерах, что обычно происходит при достатке питательных веществ (клетки JCVI-syn1.0 за это время увеличились в среднем на 85 процентов в диаметре и десятикратно в объеме). За это отвечали эпистатические эффекты мутаций в гене ftsZ прокариотического гомолога тубулина, который регулирует деление и морфологию клетки.

Полученные результаты демонстрируют, что естественный отбор способен быстро повысить приспособляемость наипростейших автономно растущих организмов, причем минимизация генома открывает возможности вовлечения в эволюционный процесс ключевых генов, которые обычно эволюционируют медленно, пишут авторы работы.

В 2022 году исследовательский проект LTEE представил результаты эволюционного эксперимента с 2000 поколений кишечных палочек с различными наборами исходных признаков. Оказалось, что, хотя генетическое разнообразие имеет существенное значение на ранних стадиях приспособления, основную роль в эволюционном процессе при бесполом размножении играют случайные мутации.