斯克里普斯研究中心的科學家及其合作者創(chuàng)造了微生物，這些微生物可能概括了數(shù)十億年前被認為生存過的生物的關(guān)鍵特征，使他們能夠探索生命如何從無生命分子進化到單細胞生物體到復(fù)雜的多細胞生命形態(tài)的問題。今天看。

通過研究這些工程生物中的一種 - 一種基因組由核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)組成的細菌 - 科學家們希望能夠揭示遺傳物質(zhì)的早期進化，包括理論化的過渡世界。生命完全依賴于遺傳分子RNA，其中DNA作為遺傳信息的主要倉庫。

使用第二種工程生物，一種含有內(nèi)共生細菌的轉(zhuǎn)基因酵母，他們希望更好地了解被稱為線粒體的細胞能植物的起源。線粒體為真核生物的細胞提供必需的能量，真核生物是一大群生物 - 包括人類 - 擁有復(fù)雜的含核細胞。

研究人員報告了兩篇論文中的微生物工程，其中一篇發(fā)表于2018年10月29日的“美國國家科學院院刊”(PNAS)，另一篇發(fā)表于2018年8月30日的美國化學學會期刊(JACS)。

“這些工程化生物將使我們能夠探索關(guān)于生物體進化中主要里程碑的兩個關(guān)鍵理論 - 從RNA世界到DNA世界的轉(zhuǎn)變以及從原核生物到線粒體真核生物的轉(zhuǎn)變，”Peter Schultz博士說。該論文的高級作者和斯克里普斯研究院院長。“訪問易于操作的實驗室模型使我們能夠?qū)ふ矣嘘P(guān)早期進化的問題的答案，這些問題以前是難以處理的。”

幾千年來，地球上的生命起源一直是人類的魅力所在。科學家追溯了幾十億年的生命弧，并得出結(jié)論認為，最簡單的生命形式來自地球的原始化學湯，隨后逐漸進化為越來越復(fù)雜的生物。DNA的出現(xiàn)帶來了巨大的飛躍，這種分子可以存儲復(fù)制生命所需的所有信息，并指導細胞機器主要通過產(chǎn)生RNA進行競標，而RNA又可以指導蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)是細胞中的分子工具。

在20世紀60年代，Carl Woese和Leslie Orgel以及DNA先驅(qū)弗朗西斯·克里克提出，在DNA之前，生物依靠RNA來攜帶遺傳信息，這種分子相似但遠不如DNA穩(wěn)定，也可催化蛋白質(zhì)等化學反應(yīng)。 。“在科學課上，學生們學會了DNA導致RNA，這反過來導致蛋白質(zhì) - 這是生物學的核心教條 - 但RNA世界的假設(shè)將其轉(zhuǎn)變?yōu)轭^腦，”Angad Mehta博士說，他是第一作者。 Scripps Research的新論文和博士后研究員。“對于RNA世界的假設(shè)是正確的，你必須以某種方式從RNA到達DNA基因組，然而如何發(fā)生這種情況仍然是科學家們面臨的一個非常大的問題。”

一種可能性是轉(zhuǎn)變通過一種微生物缺失環(huán)節(jié)繼續(xù)進行，這種復(fù)制生物將遺傳信息存儲為RNA。對于JACS研究，Scripps Research領(lǐng)導的團隊創(chuàng)??造了大腸桿菌細菌，這些細菌利用核糖核苷酸(通常用于構(gòu)建RNA的分子構(gòu)建模塊)部分構(gòu)建其DNA。這些工程基因組含有高達50%的RNA，因此同時代表了一種新型的合成生物，可能是數(shù)十億年前的回歸。

Mehta提醒說，到目前為止，他們的工作主要集中在表征這種嵌合RNA-DNA基因組及其對細菌生長和復(fù)制的影響，但尚未明確探討從RNA世界向DNA世界過渡的問題。但是，他說，大部分基因組由RNA組成的大腸桿菌可以存活和復(fù)制是顯著的，并且似乎支持存在具有雜交RNA-DNA基因組的進化過渡生物的可能性。Scripps研究團隊正在研究其工程化大腸桿菌的混合基因組如何發(fā)揮作用，并計劃利用這些細菌來探索許多進化問題。

例如，一個問題是RNA的存在是否導致快速遺傳漂變 - 群體中基因序列隨時間的大變化。科學家推測，在早期進化過程中發(fā)生了大規(guī)模的遺傳漂變，RNA基因組的存在有助于解釋遺傳變化如何迅速發(fā)生。

在PNAS發(fā)表的論文中，研究人員報告了工程學的另一個實驗室模型，該模型是一個超過15億年前發(fā)生的進化里程碑。他們創(chuàng)造了一種依賴于生活在其內(nèi)部的細菌能量的酵母作為有益的寄生蟲或“內(nèi)共生體”。這種復(fù)合生物將使他們能夠研究線粒體的古老起源 - 細小的細菌樣細胞器，它們在所有高等生物的細胞內(nèi)產(chǎn)生化學能。

人們普遍認為線粒體是由較大的單細胞生物捕獲的普通細菌進化而來的。它們在單元格中執(zhí)行幾個關(guān)鍵功能。最重要的是，它們作為氧氣反應(yīng)器，使用O 2來制造細胞的基本化學能單位，即ATP。線粒體與細胞一樣至關(guān)重要，它們的起源仍然有些神秘，盡管有一種更為獨立的生物體有明顯的下降暗示，這種生物被廣泛認為是一種細菌。

線粒體具有類似于某些細菌的雙膜結(jié)構(gòu)，并且再次像細菌一樣含有它們自己的DNA。對線粒體基因組的分析表明，它與現(xiàn)代立克次氏體細菌共享一個古老的祖先，它可以存活在宿主的細胞內(nèi)并引起疾病。對線粒體理論的細菌起源的更強支持將來自實驗，該實驗表明，獨立的細菌確實可以在進化過程中轉(zhuǎn)化為線粒體樣共生體。為此，Scripps研究科學家設(shè)計了大腸桿菌細菌，這些細菌可以生長，依賴并為釀酒酵母(也稱為面包酵母)的細胞提供關(guān)鍵輔助。

研究人員開始修改大腸桿菌缺乏編碼硫胺的基因，使細菌依賴酵母細胞來獲得這種必需的維生素。同時，他們在細菌中添加了轉(zhuǎn)運蛋白ADP / ATP轉(zhuǎn)基因基因，使細菌細胞內(nèi)產(chǎn)生的ATP被提供給它們的酵母細胞宿主 - 模仿真實線粒體的核心功能。該團隊還修改了酵母，使其自身的線粒體缺乏提供ATP的能力。因此酵母將依賴細菌進行正常的，基于線粒體的ATP產(chǎn)生。

研究小組發(fā)現(xiàn)，一些工程菌經(jīng)過表面蛋白修飾，以保護它們免受酵母的破壞，與宿主和諧共生40多代，并且無限期地存在。“改良的細菌似乎在酵母中積累了新的突變，以更好地適應(yīng)他們的新環(huán)境，”舒爾茨說。

隨著該系統(tǒng)的建立，該團隊將嘗試將大腸桿菌進化成為線粒體樣細胞器。對于新的大腸桿菌內(nèi)共生體，適應(yīng)酵母內(nèi)的生命可以使其有機會從根本上改變其基因組。例如，典型的大腸桿菌細菌有數(shù)千個基因，而線粒體已經(jīng)進化出僅僅37個的精簡組。

Scripps研究團隊通過進一步的基因扣除實驗完成了研究，結(jié)果很有希望：他們發(fā)現(xiàn)它們不僅可以消除大腸桿菌硫胺基因，還可以消除代謝分子NAD和氨基酸生成的基因。絲氨酸，仍然可以實現(xiàn)共生。

“我們現(xiàn)在正在努力表明我們可以刪除制造所有20種氨基酸的基因，這些氨基酸是大腸桿菌基因組的重要組成部分，”Schultz說。“一旦我們實現(xiàn)了這一目標，我們將繼續(xù)刪除用于合成輔因子和核苷酸的基因，并且在幾年內(nèi)我們希望能夠獲得真正最小的內(nèi)共生基因組。”

研究人員還希望使用類似的endosymbiont-host系統(tǒng)來研究進化過程中的其他重要事件，例如葉綠體，光吸收細胞器的起源，這些細胞器在向植物提供能量方面具有類似線粒體的作用。