斯克里普斯研究中心的科學(xué)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(rèn)為生存過(guò)的生物的關(guān)鍵特征，使他們能夠探索生命如何從無(wú)生命分子進(jìn)化到單細(xì)胞生物體到復(fù)雜的多細(xì)胞生命形態(tài)的問(wèn)題。今天看。

通過(guò)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(xì)菌 - 科學(xué)家們希望能夠揭示遺傳物質(zhì)的早期進(jìn)化，包括理論化的過(guò)渡世界。生命完全依賴(lài)于遺傳分子RNA，其中DNA作為遺傳信息的主要倉(cāng)庫(kù)。

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

研究人員報(bào)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”(PNAS)，另一篇發(fā)表于2018年8月30日的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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(jìn)化中主要里程碑的兩個(gè)關(guān)鍵理論 - 從RNA世界到DNA世界的過(guò)渡以及從原核生物到線粒體真核生物的過(guò)渡，”高級(jí)博士Peter Schultz博士說(shuō)。論文作者和斯克里普斯研究院院長(zhǎng)。“訪問(wèn)易于操作的實(shí)驗(yàn)室模型使我們能夠?qū)ふ矣嘘P(guān)早期進(jìn)化的問(wèn)題的答案，這些問(wèn)題以前是難以處理的。”

幾千年來(lái)，地球上的生命起源一直是人類(lèi)的魅力所在?？茖W(xué)家追溯了幾十億年的生命弧，并得出結(jié)論認(rèn)為，最簡(jiǎn)單的生命形式來(lái)自地球的原始化學(xué)湯，隨后逐漸進(jìn)化為越來(lái)越復(fù)雜的生物。DNA的出現(xiàn)帶來(lái)了巨大的飛躍，這種分子可以存儲(chǔ)復(fù)制生命所需的所有信息，并指導(dǎo)細(xì)胞機(jī)器主要通過(guò)產(chǎn)生RNA進(jìn)行競(jìng)標(biāo)，而RNA又可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，蛋白質(zhì)是細(xì)胞中的分子工具。

在20世紀(jì)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(lái)攜帶遺傳信息，這種分子相似但遠(yuǎn)不如DNA穩(wěn)定，也可催化蛋白質(zhì)等化學(xué)反應(yīng)。 。“在科學(xué)課上，學(xué)生們了解到DNA導(dǎo)致RNA導(dǎo)致蛋白質(zhì) - 這是生物學(xué)的核心教條 - 但RNA世界的假設(shè)將其轉(zhuǎn)變?yōu)轭^腦，”新論文的第一作者Angad Mehta博士說(shuō)。和Scripps Research的博士后研究員。“對(duì)于RNA世界的假設(shè)是正確的，你必須以某種方式從RNA到達(dá)DNA基因組，然而如何發(fā)生這種情況仍然是科學(xué)家們面臨的一個(gè)非常大的問(wèn)題。”

一種可能性是轉(zhuǎn)變通過(guò)一種微生物缺失環(huán)節(jié)繼續(xù)進(jìn)行，這種復(fù)制生物將遺傳信息存儲(chǔ)為RNA。對(duì)于JACS研究，Scripps Research領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)??造了大腸桿菌細(xì)菌，這些細(xì)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(dá)50%的RNA，因此同時(shí)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(shuō)，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(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)和復(fù)制的影響，但尚未明確探討從RNA世界向DNA世界過(guò)渡的問(wèn)題。但是，他說(shuō)，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(jìn)化過(guò)渡生物的可能性。Scripps研究團(tuán)隊(duì)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(jì)劃利用這些細(xì)菌來(lái)探索許多進(jìn)化問(wèn)題。

例如，一個(gè)問(wèn)題是RNA的存在是否導(dǎo)致快速遺傳漂變 - 群體中基因序列隨時(shí)間的大變化?？茖W(xué)家推測(cè)，在早期進(jìn)化過(guò)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(bào)告了工程學(xué)的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室模型，該模型是一個(gè)超過(guò)15億年前發(fā)生的進(jìn)化里程碑。他們創(chuàng)造了一種依賴(lài)于生活在其內(nèi)部的細(xì)菌能量的酵母作為有益的寄生蟲(chóng)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(xì)小的細(xì)菌樣細(xì)胞器，它們?cè)谒懈叩壬锏募?xì)胞內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)能。

人們普遍認(rèn)為線粒體是由較大的單細(xì)胞生物捕獲的普通細(xì)菌進(jìn)化而來(lái)的。它們?cè)趩卧裰袌?zhí)行幾個(gè)關(guān)鍵功能。最重要的是，它們作為氧氣反應(yīng)器，使用O2來(lái)制造細(xì)胞的基本化學(xué)能單位，即ATP。線粒體與細(xì)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(dú)立的生物體有明顯的下降暗示，這種生物被廣泛認(rèn)為是一種細(xì)菌。

線粒體具有類(lèi)似于某些細(xì)菌的雙膜結(jié)構(gòu)，并且再次像細(xì)菌一樣含有它們自己的DNA。對(duì)線粒體基因組的分析表明，它與現(xiàn)代立克次氏體細(xì)菌共享一個(gè)古老的祖先，它可以存活在宿主的細(xì)胞內(nèi)并引起疾病。對(duì)線粒體理論的細(xì)菌起源的更強(qiáng)支持將來(lái)自實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)表明，獨(dú)立的細(xì)菌確實(shí)可以在進(jìn)化過(guò)程中轉(zhuǎn)化為線粒體樣共生體。為此，Scripps研究科學(xué)家設(shè)計(jì)了大腸桿菌細(xì)菌，這些細(xì)菌可以生長(zhǎng)，依賴(lài)并為釀酒酵母(也稱(chēng)為面包酵母)的細(xì)胞提供關(guān)鍵輔助。

研究人員開(kāi)始修改大腸桿菌缺乏編碼硫胺的基因，使細(xì)菌依賴(lài)酵母細(xì)胞來(lái)獲得這種必需的維生素。同時(shí)，他們?cè)诩?xì)菌中添加了轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ADP / ATP轉(zhuǎn)基因基因，使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的ATP被提供給它們的酵母細(xì)胞宿主 - 模仿真實(shí)線粒體的核心功能。該團(tuán)隊(duì)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(lài)細(xì)菌進(jìn)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(guò)表面蛋白修飾，以保護(hù)它們免受酵母的破壞，與宿主和諧共生40多代，并且無(wú)限期地存在。“改良的細(xì)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(shuō)。

隨著該系統(tǒng)的建立，該團(tuán)隊(duì)將嘗試將大腸桿菌進(jìn)化成為線粒體樣細(xì)胞器。對(duì)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(jī)會(huì)從根本上改變其基因組。例如，典型的大腸桿菌細(xì)菌有數(shù)千個(gè)基因，而線粒體已經(jīng)進(jìn)化出僅僅37個(gè)的精簡(jiǎn)組。

Scripps研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步的基因扣除實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shuō)。“一旦我們實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，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(lèi)似的endosymbiont-host系統(tǒng)來(lái)研究進(jìn)化過(guò)程中的其他重要事件，例如葉綠體，光吸收細(xì)胞器的起源，這些細(xì)胞器在向植物提供能量方面具有類(lèi)似線粒體的作用。