Eksperyment powtórzony 600 razy odnajduje wskazówki dotyczące tajemnic ewolucji

W laboratorium w Atlancie każdego dnia tysiące komórek drożdży walczy o przetrwanie. Organizmy, które przeżywają kolejny dzień, rosną szybciej, szybciej się rozmnażają i tworzą największe skupiska. Przez około dekadę komórki ewoluowały, łącząc się ze sobą, tworząc rozgałęzione kształty płatków śniegu.

Te dziwne płatki śniegu znajdują się w centrum eksperymentów, które badają, co mogło się wydarzyć miliony lat temu, kiedy organizmy jednokomórkowe połączyły się, by stać się wielokomórkowymi. Proces ten ostatecznie doprowadził jednak do powstania tak fantastycznie niepraktycznych i dziwacznych stworzeń, jak ośmiornice, strusie, chomiki i ludzie.

Chociaż uważa się, że wielokomórkowość ewoluowała co najmniej 20 razy w historii życia na Ziemi, nie jest jasne, w jaki sposób organizmy przeszły z jednej komórki do wielu organizmów dzielących los. Ale w Artykuł naukowy opublikowany w środę w czasopiśmie NatureNaukowcy ujawniają jedną wskazówkę, w jaki sposób komórki zaczynają się budować w ciele. Zespół, który wyprodukował drożdże Snowflake, odkrył, że przez ponad 3000 pokoleń grudki drożdży urosły do ​​​​tak dużych rozmiarów, że można je było zobaczyć gołym okiem. Po drodze ewoluował z miękkiego, gąbczastego materiału do czegoś o twardości drewna.

Will Ratcliffe, profesor Georgia Tech, zaczął eksperymentować z drożdżami, gdy był na studiach. Zainspirował go Richard Lenski, biolog z University of Michigan, i jego współpracownicy, którzy wyhodowali 12 szczepów E. coli przez ponad 75 000 pokoleń i udokumentowali od 1988 r., jak zmieniały się populacje. Dr Ratcliffe zastanawiał się, czy badanie ewolucji, która zachęca komórki do sklejania się, może rzucić światło na pochodzenie wielokomórkowości.

„Wszystkie znane nam linie rodowe, które wyewoluowały wielokomórkowość” – powiedział – „zrobiły ten krok setki milionów lat temu”. „I nie mamy zbyt wielu informacji o tym, jak pojedyncze komórki tworzą skupiska”.

Przeprowadził więc prosty eksperyment. Każdego dnia obracał komórki drożdży w probówce, zasysając te, które najszybciej opadły na dno, a następnie używał ich do wzrostu populacji drożdży następnego dnia. Doszedł do wniosku, że gdyby wybrano najcięższe osobniki lub grupy komórek, drożdże miałyby bodziec do wyewoluowania sposobu sklejania się.

I zadziałało: W ciągu 60 dni pojawiły się płatki śniegu. Kiedy te drożdże dzielą się, dzięki mutacji, nie oddzielają się całkowicie od siebie. Zamiast tego tworzą rozgałęzione struktury genetycznie identycznych komórek. Drożdże stały się wielokomórkowe.

Ale Ratcliffe odkrył, że płatki śniegu, gdy kontynuował badania, nie wydawały się być bardzo duże i pozostały uparcie mikroskopijne. Przypisuje Ozanowi Bozdagowi, badaczowi ze stopniem doktora w swojej grupie, przełom w dziedzinie tlenu lub niedotlenienia.

Dla wielu żywych istot tlen służy jako rodzaj paliwa rakietowego. Energia zmagazynowana w cukrach jest łatwo dostępna.

Dr Bozdag podał tlen niektórym drożdżom w eksperymencie i przeszczepił inne, które miały mutację uniemożliwiającą im jego użycie. Odkrył, że w ciągu 600 transferów drożdże z niedoborem tlenu eksplodowały objętościowo. Ich płatki śniegu rosły i rosły, aż w końcu stały się widoczne gołym okiem. Dokładna analiza preparatów wykazała, że ​​komórki drożdży były znacznie dłuższe niż normalnie. Gałęzie splatały się w gęstą kępę.

Naukowcy uważają, że ta gęstość może wyjaśniać, dlaczego tlen stanowi taką barierę dla wzrostu drożdży. W przypadku drożdży, które mogły wykorzystywać tlen, zwiększenie ich objętości miało poważne wady.

Dopóki płatki śniegu pozostawały małe, komórki na ogół miały równy dostęp do tlenu. Ale duże, gęste wypełnienia oznaczają, że komórki w każdej grudce są odcięte od tlenu.

Z kolei drożdże, które nie mogą używać tlenu, nie mają nic do stracenia, więc stały się duże. Wyniki wskazują, że karmienie wszystkich komórek w klastrze jest ważną częścią kompromisów, przed którymi staje organizm, gdy staje się wielokomórkowy.

Tworzone grupy są również trudne.

„Ilość energii potrzebnej do zniszczenia tych rzeczy wzrosła ponad milion razy” – powiedział Peter Junker, profesor Georgia Tech i współautor artykułu.

Ta moc może być kluczem do kolejnego kroku w rozwoju wielokomórkowości – mówi dr Ratcliffe – rozwoju czegoś na kształt układu krążenia. Jeśli komórki w dużej masie potrzebują pomocy w dostępie do składników odżywczych, kluczem jest przedmiot wystarczająco mocny, aby kierować przepływem płynów.

„To jak strzelanie z węża strażackiego do masy drożdżowej” – powiedział dr Juncker. Jeśli masa komórkowa jest słaba, ten napływ składników odżywczych zniszczy ją, zanim każda komórka będzie mogła się pożywić.

Zespół bada teraz, czy gęste skupiska drożdży płatków śniegu mogą ewoluować w sposób dostarczania składników odżywczych do ich najgłębszych narządów. Jeśli tak, to te drożdże w probówkach w Atlancie mogą powiedzieć nam coś o tym, jak to było eony temu, kiedy twoi przodkowie i wiele organizmów wokół ciebie zaczęło budować ciała z komórek.