Nature：新研究表明人工合成的最小细胞在进化速度上与正常细胞一样快

美国印第安纳大学进化生物学家Jay T. Lennon博士及其研究团队一直在研究一种人工合成的最小细胞，这种细胞除了它的必需基因之外，其他所有基因都被剔除了。在一项新的研究中，该团队发现这种精简细胞的进化速度与正常细胞一样快----这就证实了生物的适应能力，即使有一种看似没有什么灵活性的非自然基因组，也是如此。相关研究结果于2023年7月5日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Evolution of a minimal cell”。

饰演1993年科幻电影《侏罗纪公园（Jurassic Park）》中Jeff Goldblum角色的Ian Malcolm说，“听着，如果说进化史教会了我们一件事，那就是生命是无法被遏制的。生命会挣脱束缚。它扩展到新的领域，它痛苦地，甚至可能危险地冲破障碍，但是......生命会找到一种方式。”

你不会发现有任何迅猛龙潜伏在Lennon实验室里；然而，Lennon和他的同事们发现生命确实找到了一种方式。Lennon说，“看来生命中有一些东西似乎是非常强大的。我们可以将它简化为最基本的要素，但这并不能阻止进化的发生。”

在他们的研究中，Lennon团队使用了人工合成合成生物--- JCVI-syn3B---一种在山羊和类似动物的肠道中常见的丝状支原体（Mycoplasma mycoides）的最小化版本。几千年来，这种寄生细菌在进化到依赖其宿主获得营养物的过程中自然地失去了许多基因。

美国克雷格-文特尔研究所（J. Craig Venter Institute）的科学家们在这方面更进一步。2016年，他们从天然的丝状支原体基因组中消除了901个基因中的45%---将它减少到自主细胞生命所需的最小基因集合。就含有的493个基因而言，丝状支原体JCVI-syn3B的最小基因组是任何已知的自由生活生物中最小的。相比之下，许多动物和植物的基因组包含超过20000个基因。

原则上，最简单的生物将没有功能上的冗余，只拥有生命所必需的最低数量的基因。这种生物的任何突变都可能致命地破坏一种或多种细胞功能，从而对进化造成限制。具有精简的基因组的生物可用于正向选择的靶基因较少，因此限制了适应的机会。

尽管丝状支原体JCVI-syn3B可以在实验室条件下生长和分裂，但是Lennon及其同事想知道具有最小基因组的细胞将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依赖的原材料有限，以及新突变的未知引入。

Lennon在谈到丝状支原体JCVI-syn3B时说，“它的基因组中的每一个基因都是必不可少的。人们可以假设，没有突变的回旋余地，这可能会限制它进化的潜力。”

这些作者确定事实上，丝状支原体JCVI-syn3B具有特别高的突变率。接着，他们在实验室里培养它，让它自由进化300天，相当于2000个细菌世代。

下一步是建立实验以确定进化了300天的这些具有最小基因组的细胞与原始的、基因组未最小化的丝状支原体以及没有进化300天的具有最小基因组的细胞品系相比，表现如何。在这些比较实验中，这些作者将相同数量的接受评估的菌株放在试管中。更适合其环境的菌株成为更常见的菌株。

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06288-x。

这些作者发现，基因组未最小化的菌株很容易胜过未进化的具有最小基因组的菌株。然而，进化了300天的具有最小基因组的菌株表现得更好，有效地恢复了它由于基因组精简而失去的所有适应性。他们确定了在进化过程中变化最大的基因。这些基因中的一些参与了细胞表面的构建，而其他几个基因的功能仍然未知。

了解具有精简基因组的生物如何克服进化挑战对生物学中长期存在的问题具有重要意义---包括对临床病原体感染的治疗、与宿主相关的内共生生物的持久性、工程化微生物的优化以及生命本身的起源。

Lennon和他的团队开展的这项新的研究显示了自然选择在最简单的自主生物中迅速优化适应性的力量，这对细胞复杂性的进化具有影响。换句话说，这表明生命找到了一种方式。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

R. Z. Moger-Reischer et al. Evolution of a minimal cell. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06288-x.