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合成微生物使科学家们能够研究古老的进化神秘

斯克里普斯研究中心的科学家及其合作者创造了微生物,这些微生物可以概括出数十亿年前被认为生存的生物的关键特征,使他们能够探索生命如何从无生命分子进化到单细胞生物体到复杂的多细胞生命形态的问题。今天看。

通过研究这些工程生物中的一种 - 一种基因组由核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)组成的细菌 - 科学家们希望能够揭示遗传物质的早期进化,包括理论化的过渡世界。生命完全依赖于遗传分子RNA,其中DNA作为遗传信息的主要仓库。

使用第二种工程生物,一种含有内共生细菌的转基因酵母,他们希望更好地了解被称为线粒体的细胞能植物的起源。线粒体为真核生物细胞提供必需的能量,真核生物是一大群生物 - 包括人类 - 拥有复杂的含核细胞。

研究人员报告了两篇论文中的微生物工程,其中一篇发表于2018年10月29日的“美国国家科学院院刊”(PNAS),另一篇发表于2018年8月30日的“美国化学学会杂志”(JACS)。

“这些工程化生物将使我们能够探索关于生物体进化中主要里程碑的两个关键理论 - 从RNA世界到DNA世界的转变以及从原核生物到线粒体真核生物的转变,”高级博士Peter Schultz博士说。论文作者和斯克里普斯研究院院长。“访问易于操作的实验室模型使我们能够寻找有关早期进化的问题的答案,这些问题以前是难以处理的。”

几千年来,地球上生命的起源一直是人类的魅力所在。科学家追溯了几十亿年的生命弧,并得出结论认为,最简单的生命形式来自地球的原始化学汤,随后逐渐进化为更复杂的生物。DNA的出现带来了巨大的飞跃,DNA是一种分子,可以存储复制生命所需的所有信息,并指导细胞机器主要通过产生RNA进行竞标,而RNA又可以指导蛋白质的合成,蛋白质是细胞中的分子工具。

在20世纪60年代,Carl Woese和Leslie Orgel以及DNA先驱弗朗西斯·克里克提出,在DNA之前,生物依靠RNA来携带遗传信息,这种分子类似但不如DNA稳定,也可以催化像蛋白质这样的化学反应。“在科学课上,学生们学会了DNA导致RNA导致蛋白质 - 这是生物学的核心教条 - 但RNA世界的假设将其转变为头脑,”新论文的第一作者Angad Mehta博士说。和Scripps Research的博士后研究员。“对于RNA世界的假设是真的,你必须以某种方式从RNA到达DNA基因组,然而这可能发生的情况仍然是科学家们的一个非常大的问题。”

一种可能性是转变通过一种微生物缺失环节进行,这种复制生物将遗传信息存储为RNA。对于JACS研究,Scripps Research领导的团队创​​造了大肠杆菌细菌,这些细菌利用核糖核苷酸(通常用于构建RNA的分子构建模块)部分构建其DNA。这些工程基因组含有高达50%的RNA,因此同时代表了一种新型合成生物,可能是数十亿年前的回归。

Mehta警告说,他们迄今为止的工作主要集中在表征这种嵌合RNA-DNA基因组及其对细菌生长和复制的影响,但尚未明确探讨从RNA世界向DNA世界过渡的问题。但是,他说,大部分基因组由RNA组成的大肠杆菌可以存活和复制是显着的,并且似乎支持存在具有杂交RNA-DNA基因组的进化过渡生物的可能性。Scripps研究团队正在研究其工程化大肠杆菌的混合基因组如何发挥作用,并计划利用这些细菌来探索一系列进化问题。

例如,一个问题是RNA的存在是否会导致快速遗传漂变 - 群体中基因序列随时间的变化很大。科学家推测,在早期进化过程中发生了大规模的遗传漂变,RNA基因组的存在有助于解释遗传变化如何迅速发生。

在PNAS发表的论文中,研究人员报告了另一个实验室模型的工程设计模型,这个模型被认为是超过15亿年前发生的。他们创造了一种依赖于生活在其内部的细菌能量的酵母作为有益的寄生虫或“内共生体”。这种复合生物将使他们能够研究线粒体的古老起源 - 在所有高等生物的细胞内产生化学能的微小的细菌样细胞器。

人们普遍认为线粒体是从较大的单细胞生物捕获的普通细菌进化而来的。它们在单元格中执行几个关键功能。最重要的是,它们用作氧气反应器,使用O2制造细胞的基本化学能单位,即分子ATP。线粒体对细胞至关重要,它们的起源仍然有些神秘,尽管有一种更为独立的生物体有明显的下降暗示,这种生物被广泛认为是一种细菌。

线粒体具有类似于某些细菌的双膜结构,并且 - 再次像细菌一样 - 含有它们自己的DNA。对线粒体基因组的分析表明它与现代立克次氏体细菌共享一个古老的祖先,它可以存活在宿主的细胞内并引起疾病。对线粒体理论的细菌起源的更强支持将来自实验,这些实验表明,独立的细菌确实可以在进化过程中转化为线粒体样共生体。为此,斯克里普斯研究科学家设计了大肠杆菌细菌,这些细菌可以生长,依赖并为酿酒酵母(也称为面包酵母)的细胞提供关键辅助。

研究人员开始修改大肠杆菌缺乏编码硫胺的基因,使细菌依赖酵母细胞来获得这种必需的维生素。同时,他们在细菌中添加了转运蛋白ADP / ATP转基因基因,使细菌细胞内产生的ATP被提供给它们的酵母细胞宿主 - 模仿真实线粒体的核心功能。该团队还对酵母进行了修饰,使其自身的线粒体缺乏提供ATP的能力。因此酵母将依赖于细菌来进行正常的基于线粒体的ATP产生。

研究小组发现,一些工程菌经过表面蛋白修饰,以保护它们免于在酵母中被破坏,它们与宿主一起生活和繁殖超过40代,并且似乎无限期可行。“改良的细菌似乎在酵母中积累了新的突变,以更好地适应他们的新环境,”舒尔茨说。

随着该系统的建立,该团队将尝试将大肠杆菌进化成为线粒体样细胞器。对于新的大肠杆菌内共生体,适应酵母内的生命可以使其有机会从根本上改变其基因组。例如,典型的大肠杆菌细菌具有数千个基因,而线粒体已经进化出仅为37个的精简组。

Scripps研究团队通过进一步的基因扣除实验完成了研究,结果很有希望:他们发现它们不仅可以消除大肠杆菌硫胺基因,还可以消除代谢分子NAD和氨基酸生成的基因。丝氨酸,仍然有一个可行的共生关系。

“我们现在正在努力表明我们可以删除制造所有20种氨基酸的基因,这些氨基酸构成大肠杆菌基因组的重要组成部分,”舒尔茨说。“一旦我们实现了这一目标,我们将继续删除用于合成辅因子和核苷酸的基因,并且在几年内我们希望能够获得真正最小的内共生基因组。”

研究人员还希望使用类似的endosymbiont-host系统来研究进化过程中的其他重要事件,例如叶绿体,光吸收细胞器的起源,这些细胞器在向植物提供能量方面具有类似线粒体的作用。

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