遗传上最小的人工细胞证明了那句经典的"生命会找到出路"

科学家发现，基因组减少的合成细胞可以像正常细胞一样快速进化。 尽管失去了 45% 的原始基因，但该细胞在持续 300 天的实验室实验中适应并表现出了弹性，有效地表明即使在感知到的限制下进化也会发生。

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“听着，如果进化史告诉我们一件事的话，那就是生命不会被遏制。 生活挣脱束缚。 它扩展到新的领域，并痛苦地冲破障碍，甚至可能是危险的，但是…… 生命总会找到出路。”1993 年上映的科幻电影《侏罗纪公园》中杰夫·高布伦 (Jeff Goldblum) 饰演的角色伊恩·马尔科姆 (Ian Malcolm) 说道，这部影片讲述了一座拥有活生生恐龙的公园的故事。

当然，在进化生物学家 Jay T. Lennon 的实验室周围，你不会发现任何迅猛龙。 然而，印第安纳大学伯明顿分校艺术与科学学院生物系教授列侬和他的同事发现，生命确实找到了出路。 列侬的研究小组一直在研究一种合成构建的最小细胞，该细胞已被剥夺了除必需基因之外的所有内容。 研究小组发现，流线型细胞的进化速度与正常细胞一样快，这证明了生物体的适应能力，即使是具有看似几乎不提供灵活性的非自然基因组。

放大 15000 倍的最小细胞簇的电子显微照片。 人工合成的简化细菌——丝状支原体，含有不到 500 个基因。 图片来源：图片由加州大学圣地亚哥分校国家成像和显微镜研究中心的 Tom Deerinck 和 Mark Ellisman 提供

列侬说：“生活中似乎有一些东西真的很强大。我们可以将其简化为最基本的要素，但这并不能阻止进化的发挥。”

在他们的研究中，列侬的团队使用了合成生物体 - 蕈状支原体 JCVI-syn3B，一种常见于山羊和类似动物肠道中的蕈状支原体细菌的最小化版本。 几千年来，寄生细菌在进化到依赖宿主获取营养的过程中自然失去了许多基因。 加利福尼亚州 J. Craig Venter 研究所的研究人员更进一步。 2016 年，他们从天然蕈状支原体基因组中消除了 901 个基因中的 45%，将其减少到自主细胞生命所需的最小基因组。 蕈状支原体 JCVI-syn3B 的最小基因组包含 493 个基因，是已知自由生活生物体中最小的。 相比之下，许多动植物基因组包含超过 20000 个基因。

原则上，最简单的生物体不会有功能冗余，并且只拥有生命必需的最少数量的基因。 这种生物体中的任何突变都可能致命地破坏一种或多种细胞功能，从而限制进化。 具有精简基因组的生物体可供正选择作用的目标较少，从而限制了适应的机会。

Jay T. Lennon 图片来源：印第安纳大学摄影

尽管蕈状支原体 JCVI-syn3B 可以在实验室条件下生长和分裂，但 Lennon 和同事想知道最小的细胞如何随着时间的推移对进化的力量做出反应，特别是考虑到自然选择可以发挥作用的原材料有限，新突变的未表征输入。

“基因组中的每一个基因都是必不可少的，”Lennon 在谈到蕈状支原体 JCVI-syn3B 时说道。 “人们可以假设，突变没有回旋余地，这可能会限制其进化的潜力。”研究人员确定，蕈状支原体 JCVI-syn3B 事实上具有极高的突变率。 然后他们在实验室中培育它，让它自由进化 300 天，相当于 2000 个细菌世代或大约 40,000 年的人类进化。

下一步是进行实验，以确定进化了 300 天的最小细胞与原始的非最小蕈状支原体以及未进化 300 天的最小细胞株相比表现如何 。 在比较测试中，研究人员将等量的待评估菌株放入试管中。 更适合其环境的菌株成为更常见的菌株。

他们发现，这种细菌的非最小版本很容易击败未进化的最小版本。 然而，进化了 300 天的最小细菌表现得更好，有效地恢复了由于基因组精简而失去的所有适应性。 研究人员确定了进化过程中变化最大的基因。 其中一些基因参与构建细胞表面，而其他一些基因的功能仍然未知。

有关这项研究的详细信息可以在《自然》杂志最近发表的一篇论文中找到。

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