Ученые проводят долгосрочный эксперимент по эволюции в лаборатории, чтобы выяснить, как одноклеточные организмы могут эволюционировать в многоклеточные формы жизни. Спустя тысячи поколений их дрожжи стали в 20 000 раз больше и в 10 000 раз прочнее.
Представление об эволюционном «недостающем звене» обычно вызывает в воображении образ волосатого обезьяноподобного гоминида, но на самом деле недостающие звенья в цепи гораздо более глубокие. Один из самых больших разрывов находится между одноклеточными и многоклеточными организмами, что знаменует собой ключевой шаг в развитии сложной жизни на Земле.
Теперь ученые из Технологического института Джорджии сообщили о первых результатах эксперимента, который они надеются продолжать в течение десятилетий с довольно высокой целью — превратить одноклеточные формы жизни в совершенно новые многоклеточные формы жизни. Эксперименты по направленной эволюции проводились десятилетиями, и в 2018 году они даже получили Нобелевскую премию по химии, но обычно они направлены на создание новых лекарств или решение других проблем, а не на затыкание дыр в нашем далеком генеалогическом древе.
В этой первой фазе эксперимента по долгосрочной эволюции многоклеточности (MuLTEE) исследователи начали с вида, называемого дрожжами-снежинками. Микробы выращивались в инкубаторах-качалках, и каждый день команда проводила участок искусственного естественного отбора — колонии, которые росли быстрее всего и достигали самых больших размеров, отбирались для дальнейшего культивирования. Повторите этот процесс тысячи раз, и вы получите довольно точное представление о силах окружающей среды, которые благоприятствуют определенным характеристикам в естественной эволюции.
И действительно, примерно через 3000 поколений дрожжи эволюционировали до образуют кластеры из более чем 500 000 клеток, что более чем в 20 000 раз больше, чем исходный штамм. При этом они стали видны невооруженным глазом и стали примерно в 10 000 раз прочнее, как древесина.
Дрожжевые клетки снежинки были выращены из кластеров примерно из 100 клеток (слева) до полумиллиона клеток (справа) в рамках эксперимента по эволюции, проведенного командой Технологического института Джорджии
Ученые провели более тщательное исследование, чтобы выяснить, что произошло на клеточном уровне, что дало им такой впечатляющий прогресс. Они обнаружили, что все отдельные дрожжевые клетки вытянулись, что уменьшило плотность клеток в каждой группе и, таким образом, уменьшило нагрузку, которую они оказывали друг на друга. Это удерживает кластеры от разрушения, как это обычно происходит при определенной плотности, позволяя им расти больше.
Но этот механизм сам по себе не должен был приводить к такому резкому увеличению, говорит команда. Поэтому они посмотрели еще ближе, используя сканирующий электронный микроскоп.
«Мы обнаружили, что существует совершенно новый физический механизм, который позволяет группам расти до очень и очень больших размеров», — сказал Озан Боздаг, первый автор исследования. «Ветви дрожжей переплелись — кластерные клетки стали вести себя как лианы, обвивая друг друга и укрепляя всю структуру».
Хотя «эволюционировавшим» дрожжам все еще не хватает многих биологических особенностей действительно многоклеточных организмов, эта клеточная запутанность кажется вехой на пути к этой цели. Эксперимент далек от завершения, так что дальнейшие разработки, скорее всего, уже в пути.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
