斯克里普斯研究所的科學(xué)家和他們的合作者創(chuàng)造了微生物,概括關(guān)鍵特性的生物認(rèn)為生活在數(shù)十億年前,允許他們探索問(wèn)題如何生活從無(wú)生命的分子單細(xì)胞生物進(jìn)化到復(fù)雜的多細(xì)胞生命我們今天所看到的。

通過(guò)研究這些工程organisms-a細(xì)菌的基因組包含兩個(gè)核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)- - -科學(xué)家們希望闡明遺傳物質(zhì)的早期演化,包括理論從世界上大多數(shù)生活完全依賴(lài)遺傳分子RNA,DNA作為遺傳信息的主要倉(cāng)庫(kù)。

使用第二個(gè)轉(zhuǎn)基因生物體,包含一個(gè)轉(zhuǎn)基因酵母共生細(xì)菌,他們希望更好地理解細(xì)胞發(fā)電廠(chǎng)線(xiàn)粒體的起源。線(xiàn)粒體為真核生物的細(xì)胞提供必要的能量,一群廣泛的生物體(包括人類(lèi)具有復(fù)雜、核包含細(xì)胞。

研究人員報(bào)告工程微生物在兩篇論文,一個(gè)10月29日發(fā)布的2018年《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》(PNAS)和另一個(gè)發(fā)布8月30日,2018年美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》(江淮)。

“這些生物工程將使我們能夠探測(cè)兩個(gè)關(guān)鍵理論演化的主要里程碑的生活束縛——有機(jī)物轉(zhuǎn)變從RNA世界世界,從原核生物到真核生物DNA線(xiàn)粒體,”彼得·舒爾茨說(shuō)博士,資深作者在論文和斯克里普斯研究的總統(tǒng)。“訪(fǎng)問(wèn)容易操縱實(shí)驗(yàn)室模型使我們尋求答案的問(wèn)題早期進(jìn)化以前棘手。”

地球上生命的起源一直是人類(lèi)幾千年來(lái)魅力?？茖W(xué)家們生命的弧回溯數(shù)十億年,得出的結(jié)論是,最簡(jiǎn)單的生命形式的出現(xiàn)在地球的原始化學(xué)湯,隨后演變成生物在經(jīng)歷漫長(zhǎng)的更大的和更大的復(fù)雜性。一個(gè)巨大的飛躍了DNA的出現(xiàn),一個(gè)分子存儲(chǔ)的所有信息需要復(fù)制生活,指導(dǎo)細(xì)胞機(jī)制來(lái)協(xié)助它主要通過(guò)生成RNA,進(jìn)而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成,細(xì)胞內(nèi)分子的主力。

在1960年代,卡爾伍斯命名,以及DNA先鋒弗朗西斯•克里克提出DNA之前,生物依靠RNA攜帶遺傳信息,類(lèi)似但更穩(wěn)定的分子比DNA,可也催化化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。”在科學(xué)課上,學(xué)生們學(xué)習(xí)DNA導(dǎo)致RNA進(jìn)而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的生物學(xué)但是RNA世界的中心法則的假設(shè)是,“Angad Mehta說(shuō)博士,第一作者的論文和斯克里普斯研究所的博士后研究助理。“RNA世界的假設(shè)是正確的,你必須從RNA基因組DNA,但有可能發(fā)生的科學(xué)家們?nèi)允且粋€(gè)很大的問(wèn)題。”

一種可能性是,開(kāi)始過(guò)渡到一種微生物缺失的環(huán)節(jié),RNA的復(fù)制生物儲(chǔ)存遺傳信息。在江淮研究中,斯克里普斯研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了大腸桿菌,部分構(gòu)建與核苷酸的DNA, RNA分子構(gòu)建模塊通常用于構(gòu)建。這些改造基因組含有高達(dá)50%的RNA,從而同時(shí)代表一種新型的合成生物甚至幾十億年前的倒退。

梅塔警告說(shuō),他們的工作到目前為止一直專(zhuān)注于描述這嵌合RNA DNA基因組及其對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)的影響和復(fù)制,但沒(méi)有明確探索問(wèn)題從RNA世界過(guò)渡到DNA的世界。但是,他說(shuō),這一事實(shí)與一半的大腸桿菌基因組組成的RNA可以生存和復(fù)制是顯著的和似乎支持進(jìn)化過(guò)渡生物的存在的可能性具有混合RNA dna基因組。斯克里普斯研究小組正在研究如何改造大腸桿菌的混合基因組功能和計(jì)劃利用細(xì)菌來(lái)探索許多進(jìn)化的問(wèn)題。

例如,其中一個(gè)問(wèn)題是RNA的存在會(huì)導(dǎo)致人口快速基因drift-large基因序列的改變?？茖W(xué)家推測(cè),發(fā)生大規(guī)模的遺傳漂變迅速在早期進(jìn)化,以及基因組的RNA的存在可以幫助解釋基因變化發(fā)生得如此之快。

在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊發(fā)表的論文中,研究人員報(bào)告工程的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模型進(jìn)化里程碑認(rèn)為發(fā)生在15億多年前。他們創(chuàng)造了一個(gè)酵母對(duì)能源依賴(lài)細(xì)菌生活在它作為一種有益的寄生蟲(chóng)或“內(nèi)共生體。”這種復(fù)合生物將允許他們調(diào)查mitochondria-tiny的古老的起源,細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器產(chǎn)生化學(xué)能所有高等生物。

線(xiàn)粒體是普遍認(rèn)為已經(jīng)從普通的細(xì)菌都被大,單細(xì)胞生物。他們?cè)诩?xì)胞執(zhí)行幾個(gè)關(guān)鍵功能。最重要的是,他們作為氧反應(yīng)器,使用氧氣使細(xì)胞的基本單元的化學(xué)能量,分子ATP。線(xiàn)粒體是細(xì)胞至關(guān)重要,它們的起源仍有些神秘,雖然有明確的提示從一個(gè)更獨(dú)立的生物體,普遍認(rèn)為是一種細(xì)菌。

線(xiàn)粒體具有雙層膜結(jié)構(gòu)和一些細(xì)菌一樣,一次又一次,就像bacteria-contain自己的DNA。線(xiàn)粒體基因組的分析表明,它的股票一個(gè)古老的祖先與現(xiàn)代立克次氏體細(xì)菌,可生活在宿主細(xì)胞內(nèi),引起疾病。強(qiáng)烈支持細(xì)菌線(xiàn)粒體起源理論將來(lái)自實(shí)驗(yàn)表明獨(dú)立細(xì)菌的確可以改變了,在一個(gè)evolution-like進(jìn)展,mitochondria-like共生體。為此,斯克里普斯研究科學(xué)家工程大腸桿菌,可以住在,依賴(lài),并提供關(guān)鍵的援助,釀酒酵母細(xì)胞,也被稱(chēng)為面包酵母。

研究人員開(kāi)始通過(guò)修改大腸桿菌缺乏維生素b1基因編碼,使得細(xì)菌依賴(lài)的酵母細(xì)胞必要的維生素。同時(shí),他們?cè)黾恿思?xì)菌基因ADP / ATP移位酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)ATP生產(chǎn)會(huì)提供給他們的酵母細(xì)胞hosts-mimicking中央真正線(xiàn)粒體的功能。該小組還修改了酵母,這樣自己的線(xiàn)粒體ATP供應(yīng)不足。因此,將依賴(lài)于正常的細(xì)菌,酵母mitochondria-based ATP生產(chǎn)。

工程的研究小組發(fā)現(xiàn),一些細(xì)菌,被修改后表面蛋白在酵母保護(hù)他們免受破壞,在和諧生活和擴(kuò)散與宿主超過(guò)40代無(wú)限期似乎是可行的。“修改后的細(xì)菌似乎積累新的突變?cè)诮湍?以更好地適應(yīng)新環(huán)境,”舒爾茨說(shuō)。

對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)建立,團(tuán)隊(duì)將努力發(fā)展成為mitochondria-like細(xì)胞器的大腸桿菌。為新的大腸桿菌內(nèi)共生體,適應(yīng)生活在酵母可以讓它從根本上減輕其基因組的機(jī)會(huì)。一個(gè)典型大腸桿菌細(xì)菌,例如,有幾千個(gè)基因,而線(xiàn)粒體進(jìn)化出了一套精簡(jiǎn)的37。

斯克里普斯研究小組的研究進(jìn)一步gene-subtraction實(shí)驗(yàn),結(jié)果是樂(lè)觀:他們發(fā)現(xiàn)他們不僅可以消除大腸桿菌維生素b1基因也是基因潛在的生產(chǎn)氨基酸的代謝分子NAD和絲氨酸,而且還得到一個(gè)可行的共生關(guān)系。

“我們現(xiàn)在在我們的方式顯示,我們可以刪除所有20種氨基酸的基因,這包括大腸桿菌基因組的重要組成部分,”舒爾茨說(shuō)。“一旦我們已經(jīng)做到了這點(diǎn),我們將繼續(xù)刪除基因代數(shù)余子式和核苷酸的合成,并在幾年內(nèi)我們希望能夠得到一個(gè)真正的最小基因組內(nèi)共生。”

研究人員也希望使用類(lèi)似endosymbiont-host系統(tǒng)調(diào)查其他進(jìn)化的重要事件,如葉綠體的起源、吸光的細(xì)胞器mitochondria-like作用向植物提供能量。