Σε δοκιμαστικούς σωλήνες, τα μόρια RNA εξελίσσονται σε ένα μικροσκοπικό οικοσύστημα

Μετά από ένα μακρύ πείραμα με δελεαστικές συνέπειες για τις μελέτες προέλευσης της ζωής, μια ερευνητική ομάδα στην Ιαπωνία ανέφερε τη δημιουργία ενός κόσμου δοκιμαστικού σωλήνα μορίων που εξέλιξαν αυθόρμητα τόσο την πολυπλοκότητα όσο και, παραδόξως, τη συνεργασία. Κατά τη διάρκεια εκατοντάδων ωρών αντιγραφής, ένας μόνο τύπος RNA εξελίχθηκε σε πέντε διαφορετικά μοριακά «είδη» ή σειρές ξενιστών και παρασίτων που συνυπήρχαν αρμονικά και συνεργάζονταν για να επιβιώσουν, όπως η αρχή μιας «μοριακής εκδοχής ενός οικοσυστήματος», είπε ο Ryo. Mizuuchi, ο κύριος συγγραφέας της μελέτης και επίκουρος καθηγητής έργου στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Το πείραμά τους, το οποίο επιβεβαίωσε προηγούμενα θεωρητικά ευρήματα, έδειξε ότι τα μόρια με τα μέσα για αναπαραγωγή θα μπορούσαν αυθόρμητα να αναπτύξουν πολυπλοκότητα μέσω της δαρβινικής εξέλιξης, «ένα κρίσιμο βήμα για την εμφάνιση της ζωής», έγραψαν οι ερευνητές.

«Μπορούμε να παρέχουμε τις άμεσες αποδείξεις. μπορούμε να δούμε τι μπορεί να συμβεί πραγματικά» όταν ένα μόριο που αναδιπλασιάζεται πολυπλοκοποιείται σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, είπε ο Mizuuchi.

Αυτό ήταν το πρώτο και πιθανώς πιο σημαντικό βήμα προς την εξέλιξη ενός πολύπλοκου δικτύου αντιγραφέων στο εργαστήριο, δήλωσε ο Sijbren Otto, καθηγητής χημείας συστημάτων στο Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Με αυτό που παρουσιάζεται εδώ, η πορεία που ακολουθεί γίνεται πολύ πιο ξεκάθαρη και κάποιος γίνεται πολύ πιο αισιόδοξος ότι αυτό μπορεί πραγματικά να λειτουργήσει."

Η Joana Xavier, υπολογιστική βιολόγος στο University College του Λονδίνου, χαιρέτισε το έργο του Mizuuchi και των συναδέλφων του ως «μεγάλη απόδειξη της ιδέας» για το πώς ένα ελάχιστο σύστημα μπορεί να πολυπλοκοποιηθεί. Είναι "μια πολύ σημαντική πρόοδος", είπε.

The Spawn of Spiegelman’s Monster

Οι ρίζες των νέων πειραμάτων φτάνουν πίσω στη δεκαετία του 1960, όταν ο μοριακός βιολόγος Sol Spiegelman δημιούργησε αυτό που ονόμασε «το μικρό τέρας» στο εργαστήριό του. Παρά τις προεκτάσεις του Φρανκενστάιν σε αυτήν την ετικέτα, το μικρό του τέρας δεν ήταν πράσινο, τετράγωνο, γρύλισμα ή ακόμα και ζωντανό. Ήταν ένα συνθετικό μόριο που γέμιζε δοκιμαστικούς σωλήνες με αντίγραφα του εαυτού του.

Το τέρας του Spiegelman ήταν ένας μεταλλαγμένος κλώνος RNA βασισμένος σε ένα ιικό γονιδίωμα. Ο βιολόγος είχε ανακαλύψει ότι μπορούσε να το αναπαράγει επ' αόριστον απλά θερμαίνοντας και αναμειγνύοντάς το παρουσία δομικών στοιχείων νουκλεοτιδίων και ενός ενζύμου πολυμερισμού που ονομάζεται ρεπλικάση. Σύντομα, ωστόσο, συνειδητοποίησε ότι τα μόριά του γίνονταν μικρότερα με την πάροδο του χρόνου:Τα αντίγραφα που έριχναν περιττά γονίδια αναδιπλασιάζονταν πιο γρήγορα, γεγονός που βελτίωσε τις πιθανότητές τους να συλλεχθούν σε δείγματα και να μεταφερθούν σε νέους δοκιμαστικούς σωλήνες για περαιτέρω αντιγραφή. Ακριβώς όπως τα ζωντανά είδη, τα μόριά του είχαν αρχίσει να μεταλλάσσονται και να εξελίσσονται υπό την πίεση της φυσικής επιλογής για να επιβιώσουν καλύτερα μέσα στον γυάλινο κόσμο τους.

Αυτές οι μελέτες ήταν η πρώτη πειραματική επίδειξη στον κόσμο της Δαρβινικής εξέλιξης σε μοριακό επίπεδο - «εξέλιξη μέσω φυσικής επιλογής, επιβίωση του ισχυρότερου», δήλωσε ο Eugene Koonin, διακεκριμένος ερευνητής του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας στο Εθνικό Κέντρο Βιοτεχνολογίας Πληροφοριών. "Σε αυτές τις συνθήκες, το πιο ικανό σήμαινε απλώς την ταχύτερη αναπαραγωγή."

Το έργο του Spiegelman ενέπνευσε δεκαετίες περαιτέρω μελέτης, μεγάλο μέρος των οποίων ήταν θεμελιώδες για την έρευνα για την προέλευση της ζωής και παρείχε καύσιμο για την υπόθεση του κόσμου του RNA ότι η ζωή ξεπήδησε από αυτοαναπαραγόμενα μόρια RNA. Αλλά αυτές οι μελέτες άφησαν αναπάντητο ένα κρίσιμο ερώτημα:Θα μπορούσε ένας μεμονωμένος μοριακός αντιγραφέας να εξελιχθεί σε ένα πολύπλοκο δίκτυο πολλαπλών αντιγραφέων;

Πριν από περίπου μια δεκαετία, όταν ο Norikazu Ichihashi ήταν αναπληρωτής καθηγητής βιοπληροφορικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Οσάκα στην Ιαπωνία, ξεκίνησε να μάθει την απάντηση τροποποιώντας τον κόσμο των δοκιμαστικών σωλήνων του Spiegelman. "Προσπαθήσαμε να αναπτύξουμε το σύστημά μας ώστε να είναι λίγο πιο ζωντανό", είπε ο Ichihashi.

Ο Ichihashi και η ομάδα του ανέπτυξαν ένα μόριο RNA που κωδικοποιούσε ένα ρεπλικάση, το οποίο μπορεί να δημιουργήσει αντίγραφα του RNA. Αλλά για να μεταφράσει το μόριο τον δικό του κώδικα, οι επιστήμονες έπρεπε να προσθέσουν κάτι περισσότερο:ριβοσώματα και άλλους μηχανισμούς μετάφρασης γονιδίων που δανείστηκαν από τα κοινά βακτήρια του εντέρου Escherichia coli . Ενσωμάτωσαν τα μηχανήματα μέσα σε σταγονίδια και τα πρόσθεσαν σε ένα μείγμα RNA και πρώτων υλών.

Μετά ήρθαν χρόνια κουραστικής ανάμειξης και αναμονής.

Το μακροχρόνιο πείραμά τους περιελάμβανε την επώαση του συστήματος αντιγραφής τους στους 37 βαθμούς Κελσίου (τη θερμοκρασία ενός ανθρώπινου σώματος ή μια ζεστή μέρα του καλοκαιριού), την προσθήκη νέων σταγονιδίων με φρέσκα συστήματα μετάφρασης και την ανάδευση του μείγματος για να προκληθεί αναπαραγωγή. Κάθε λίγες μέρες περίπου ανέλυαν τις συγκεντρώσεις RNA στους δοκιμαστικούς σωλήνες και κάθε εβδομάδα περίπου πάγωσαν δείγματα από το πιο πρόσφατο μείγμα. Κάθε εξάμηνο περίπου, αναλύουν την αλληλουχία μεγάλων παρτίδων των δειγμάτων που συλλέχθηκαν για να δουν εάν το RNA είχε αποκτήσει νέες μεταλλάξεις και είχε εξελιχθεί σε μια νέα γενεαλογία.

Εξέλιξη σε δοκιμαστικούς σωλήνες

Μετά από 215 ώρες και 43 γύρους αντιγραφής, οι ερευνητές άρχισαν να βλέπουν ενδιαφέροντα αποτελέσματα, τα οποία ανέφεραν στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών το 2016. Το αρχικό RNA είχε αντικατασταθεί από γενεαλογίες δύο άλλων RNA. Ένα, το οποίο οι ερευνητές περιέγραψαν ως «ξενιστή», θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το δικό του αντίγραφο για να αντιγράψει τον εαυτό του, όπως τα αρχικά μόρια. Η άλλη γενεαλογία, ένα «παράσιτο», χρειαζόταν για να δανειστεί τον μηχανισμό έκφρασης γονιδίων των ξενιστών.

Όταν ο Ichihashi και οι συνάδελφοί του επέκτεισαν το πείραμα σε 120 γύρους αντιγραφής σε 600 ώρες, διαπίστωσαν ότι η γενεαλογία του ξενιστή είχε χωριστεί σε δύο ξεχωριστές σειρές ξενιστών και ένας από τους ξενιστές είχε αναπτύξει δύο διαφορετικά παράσιτα. Αλλά δεν ήταν μόνο ο αριθμός των γενεαλογιών που είχε αυξηθεί. το ίδιο και η πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεών τους. Οι οικοδεσπότες είχαν αποκτήσει μεταλλάξεις που παρενέβαιναν στην ικανότητα των παρασίτων να κλέβουν τους αναπαραγόμενους πόρους τους — αλλά τα παράσιτα είχαν επίσης αναπτύξει μεταλλάξεις που χρησίμευαν ως άμυνα ενάντια σε αυτά τα εμπόδια. Οι ξενιστές και τα παράσιτα φαινόταν να συνεξελίσσονται.

Οι πληθυσμοί των παρασίτων και των ξενιστών παρουσίασαν μεγάλες διακυμάνσεις καθώς ανταγωνίζονταν για το βασίλειο σε «εξελικτικούς αγώνες εξοπλισμών», ανέφεραν οι επιστήμονες το 2020 στο eLife . Κάθε γενεαλογία RNA ανέβηκε παροδικά στην κυριαρχία, στη συνέχεια έχασε τη θέση της σε μια άλλη. «Εάν κυριαρχούσε μια γενεαλογία, τότε μια άλλη καταγωγή μειώθηκε», είπε ο Ichihashi, ο οποίος είναι τώρα καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο.

Αλλά οι ερευνητές συνέχισαν τα πειράματα και μέχρι τον γύρο 130, είχε εξελιχθεί ένας άλλος ξενιστής. Μέχρι το γύρο 160, ένα από τα παράσιτα είχε εξαφανιστεί. μερικούς γύρους αργότερα, ένα άλλο παράσιτο είχε εμφανιστεί. Γύρω στο 190, οι ερευνητές είχαν εκπλήξει μια νέα έκπληξη:Οι τεράστιες δυναμικές διακυμάνσεις στον πληθυσμό κάθε γενεαλογίας είχαν αρχίσει να δίνουν τη θέση τους σε μικρότερα κύματα. Αυτή η σταθεροποίηση υποδηλώνει ότι οι γενεαλογίες δεν ανταγωνίζονταν πλέον για να αναπαραχθούν. Αντίθετα, είχαν αρχίσει να αλληλεπιδρούν ως δίκτυο και να συνεργάζονται σε μια κατάσταση σχεδόν σταθερής συνύπαρξης.

Ο Mizuuchi και ο Ichihashi, που έκαναν τα πειράματα με τον Taro Furubayashi (ο οποίος ήταν διδακτορικός φοιτητής στο εργαστήριο του Ichihashi εκείνη την εποχή και τώρα είναι ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο), δέχτηκαν τα ευρήματα, τα οποία ανέφεραν στο Nature Επικοινωνίες τον Μάρτιο. Είναι απλώς «απλά μόρια», είπε ο Mizuuchi. "Είναι αρκετά απροσδόκητο."

Τα συνεταιριστικά παράσιτα κάνουν το μερίδιό τους

Ο Koonin συμφωνεί ότι τα ευρήματά τους είναι εντυπωσιακά. «Η πειραματική τους εγκατάσταση είναι πιο περίπλοκη, είναι πιο ρεαλιστική και τα αποτελέσματα είναι πιο περίπλοκα και πλούσια, αλλά [είναι] πλήρως συμβατό» με αυτό του Spiegelman, είπε. Παρακολούθησαν έναν μεμονωμένο τύπο μορίου να αναπαράγεται και να συγκεντρώνει μεταλλάξεις κάτω από τη φυσική επιλογή - αλλά στη συνέχεια προχώρησαν περαιτέρω αφήνοντας τα αποκλίνοντα μόρια να εξελιχθούν σε μια κοινότητα υπό την επιρροή του άλλου, όπως θα έκαναν κοινότητες ζωντανών κυττάρων, ζώων ή ανθρώπων. Στη διαδικασία, οι ερευνητές διερεύνησαν ορισμένους από τους κανόνες που διέπουν το τι χρειάζεται για να γίνουν σταθερές και ανθεκτικές τέτοιες πολύπλοκες κοινότητες.

Ορισμένα από αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις προβλέψεις προηγούμενων πειραματικών μελετών για το πώς μπορεί να προκύψει πολυπλοκότητα σε ιούς, βακτήρια και ευκαρυώτες, καθώς και ορισμένες θεωρητικές εργασίες. Μια μελέτη από το εργαστήριο του Koonin, για παράδειγμα, πρότεινε επίσης ότι τα παράσιτα ήταν αναπόφευκτα στην εμφάνιση της πολυπλοκότητας.

«Χωρίς παράσιτα, αυτό το επίπεδο διαφοροποίησης πιθανώς δεν είναι δυνατό», είπε ο Mizuuchi. Οι εξελικτικές πιέσεις που ασκούν τα παράσιτα και οι ξενιστές τους το ένα στο άλλο οδηγούν και τις δύο πλευρές να χωριστούν σε νέες γενεαλογίες.

Μια πιο εκπληκτική θεμελιώδης αρχή που προέκυψε ήταν ο κρίσιμος ρόλος της συνεργασίας. Οι πέντε γενεαλογίες ανήκαν σε διαφορετικά μικρά δίκτυα συνεργασίας και μερικά ήταν πιο συνεργάσιμα από άλλα. Μέχρι τον γύρο 228, για παράδειγμα, ένας από τους τρεις οικοδεσπότες είχε εξελιχθεί σε έναν «σούπερ συνεργάτη» που μπορούσε να αναπαραχθεί και σε όλες τις άλλες γενεαλογίες. Οι άλλοι δύο οικοδεσπότες μπορούσαν ο καθένας να αναπαράγει μόνο τον εαυτό του και ένα από τα παράσιτα.

Οι επιστήμονες έχουν επικεντρωθεί σε μελέτες για τον ανταγωνισμό στην εξέλιξη για τόσο μεγάλο χρονικό διάστημα που ο ρόλος της συνεργασίας «έχει παραβλεφθεί λίγο», είπε ο Xavier. "Πιστεύω ότι η συνεργασία θα αρχίσει επίσης να έχει σημαντικό ρόλο, ειδικά στην προέλευση, επειδή υπάρχουν τόσα πολλά πράγματα που πρέπει να ενωθούν με τον σωστό τρόπο."

Η συνεργασία μεταξύ των RNA επικεντρώθηκε εξ ολοκλήρου στην αντιγραφή στο σύστημα που παρατήρησαν οι Ichihashi, Mizuuchi και οι συνάδελφοί τους. Αλλά οι ερευνητές ελπίζουν ότι θα είναι δυνατό να εξαναγκάσουν τα RNA να αναπτύξουν επίσης μια εντελώς διαφορετική λειτουργία, όπως μια μεταβολική, προσαρμόζοντας τα κριτήρια φυσικής επιλογής μέσα στους δοκιμαστικούς σωλήνες.

Ένα διαφορετικό πεπρωμένο

«Στους επιστήμονες αρέσει να διασκεδάζουν ο ένας τον άλλον και η καλύτερη ψυχαγωγία είναι μια έκπληξη», δήλωσε ο David Deamer, ερευνητής καθηγητής βιομοριακής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz. Το θεωρεί καλό έγγραφο, αλλά σημείωσε ότι αυτό που συνέβη στο εργαστήριο μπορεί να μην μεταφραστεί σε αυτό που συνέβη στην αυγή της ζωής.

Πράγματι, το σενάριο στο εργαστήριο του Ichihashi δεν μπορούσε να αντικατοπτρίζει αυτό που συνέβαινε στην αρχή της ζωής, καθώς τα πειράματα εξαρτιόνταν από μηχανήματα μετάφρασης από το E. coli . «Το βασικό πρόβλημα με την προέλευση της ζωής είναι:Πώς ξεκίνησε η ίδια η πρωτεϊνοσύνθεση;» είπε ο Τσάρλι Κάρτερ, καθηγητής βιοχημείας και βιοφυσικής στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας.

Αλλά ο Koonin πιστεύει ότι εάν οι ερευνητές έβρισκαν έναν τρόπο να εξελίξουν την πολυπλοκότητα χρησιμοποιώντας πραγματικά αυτοαναπαραγόμενα συστήματα μορίων, θα έβλεπαν κάτι που μοιάζει πολύ με τα δίκτυα που απεικονίζονται στο έγγραφο. "Τουλάχιστον, απεικονίζουν όμορφα τους τύπους διαδικασιών που πιθανόν συνέβησαν στην προέλευση της ζωής", είπε ο Koonin.

Στον Otto, η μελέτη προτείνει ότι μόλις λύσετε το πρόβλημα της ακριβούς αντιγραφής με μόρια σε αυτό το επίπεδο πολυπλοκότητας, θα περιπλοκοποιηθούν περαιτέρω:Το πείραμα «δεν σας δείχνει πώς φτάσατε εκεί, αλλά μόλις φτάσετε εκεί στο σε αυτό το στάδιο, χαράζει το δρόμο μπροστά», είπε.

Συνεχίζοντας τη δουλειά τους, ο Ichihashi και οι συνάδελφοί του θέλησαν να δουν αν θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ξανά το ίδιο βιώσιμο δίκτυο σε ένα ξεχωριστό πείραμα, έτσι έβγαλαν δείγματα από τις πέντε γενεαλογίες. Αυτή τη φορά, ωστόσο, διαπίστωσαν ότι ενώ τέσσερις από τις γενεαλογίες συνέχισαν να αναπαράγονται και να επιβιώνουν για τουλάχιστον 22 ακόμη γύρους, ο πέμπτος εξαφανίστηκε. «Δεν ξέρω γιατί», είπε ο Ιτσιχάσι. "Είναι ένα πολύ περίεργο σημείο."

Μια πιθανότητα είναι ότι το σύστημα ήταν ακόμη πιο περίπλοκο από ό,τι νόμιζαν οι ερευνητές, και όταν απομόνωσαν τις πέντε γενεαλογίες, έχασαν μια έκτη κρίσιμη για την επιβίωση της γενεαλογίας που εξαφανίστηκε. Με θεωρητικά μοντέλα, η ομάδα του Ichihashi επιβεβαίωσε ότι οι τέσσερις εναπομείνασες γενεαλογίες θα μπορούσαν να αναπαραχθούν με βιώσιμο και αλληλεξαρτώμενο τρόπο και ότι ο αποκλεισμός οποιασδήποτε από τις τέσσερις θα οδηγούσε στην εξαφάνιση τουλάχιστον μιας από τις άλλες. Η προσομοίωσή τους έδειξε επίσης την αντίθετη ανακάλυψη ότι η καταστροφή ενός από τα παράσιτα θα οδηγούσε στην εξαφάνιση του ξενιστή του.

Εν τω μεταξύ, οι ερευνητές συνέχισαν τα κύρια πειράματά τους σε δοκιμαστικό σωλήνα και περιμένουν να δουν εάν το δίκτυό τους θα περιπλοκοποιηθεί περαιτέρω. Έχουν επίσης ξεκινήσει παρόμοια πειράματα που χρησιμοποιούν DNA αντί για RNA.

«Παρατηρήσαμε μόνο την αρχή» του πώς μπορούν να εξελιχθούν αυτές οι κοινότητες μοριακών αντιγραφέων, είπε ο Ichihashi. "Νομίζω ότι έχουν διαφορετική μοίρα στο μέλλον - δεν μπορούμε να προβλέψουμε τι θα συμβεί."

Διόρθωση:5 Μαΐου 2022
Σε παλαιότερη έκδοση του σχήματος "Εξέλιξη ενός σύνθετου δικτύου" έλειπαν ορισμένα βέλη που υποδεικνύουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κεντρικών υπολογιστών και των παρασίτων. Έχει αντικατασταθεί.