合成微生物让科学家研究古代进化的奥秘

斯克里普斯研究所的科学家和他们的合作者创造了微生物,概括关键特性的生物认为生活在数十亿年前,允许他们探索问题如何生活从无生命的分子单细胞生物进化到复杂的多细胞生命我们今天所看到的。

通过研究这些工程organisms-a细菌的基因组包含两个核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)- - -科学家们希望阐明遗传物质的早期演化,包括理论从世界上大多数生活完全依赖遗传分子RNA,DNA作为遗传信息的主要仓库。

使用第二个转基因生物体,包含一个转基因酵母共生细菌,他们希望更好地理解细胞发电厂线粒体的起源。线粒体为真核生物的细胞提供必要的能量,一群广泛的生物体(包括人类具有复杂、核包含细胞。

研究人员报告工程微生物在两篇论文,一个10月29日发布的2018年《美国国家科学院学报》(PNAS)和另一个发布8月30日,2018年美国化学学会杂志》(江淮)。

“这些生物工程将使我们能够探测两个关键理论演化的主要里程碑的生活束缚——有机物转变从RNA世界世界,从原核生物到真核生物DNA线粒体,”彼得·舒尔茨说博士,资深作者在论文和斯克里普斯研究的总统。“访问容易操纵实验室模型使我们寻求答案的问题早期进化以前棘手。”

地球上生命的起源一直是人类几千年来魅力。科学家们生命的弧回溯数十亿年,得出的结论是,最简单的生命形式的出现在地球的原始化学汤,随后演变成生物在经历漫长的更大的和更大的复杂性。一个巨大的飞跃了DNA的出现,一个分子存储的所有信息需要复制生活,指导细胞机制来协助它主要通过生成RNA,进而指导蛋白质的合成,细胞内分子的主力。

在1960年代,卡尔伍斯命名,以及DNA先锋弗朗西斯•克里克提出DNA之前,生物依靠RNA携带遗传信息,类似但更稳定的分子比DNA,可也催化化学反应的蛋白质。”在科学课上,学生们学习DNA导致RNA进而导致蛋白质的生物学但是RNA世界的中心法则的假设是,“Angad Mehta说博士,第一作者的论文和斯克里普斯研究所的博士后研究助理。“RNA世界的假设是正确的,你必须从RNA基因组DNA,但有可能发生的科学家们仍是一个很大的问题。”

一种可能性是,开始过渡到一种微生物缺失的环节,RNA的复制生物储存遗传信息。在江淮研究中,斯克里普斯研究团队创建了大肠杆菌,部分构建与核苷酸的DNA, RNA分子构建模块通常用于构建。这些改造基因组含有高达50%的RNA,从而同时代表一种新型的合成生物甚至几十亿年前的倒退。

梅塔警告说,他们的工作到目前为止一直专注于描述这嵌合RNA DNA基因组及其对细菌生长的影响和复制,但没有明确探索问题从RNA世界过渡到DNA的世界。但是,他说,这一事实与一半的大肠杆菌基因组组成的RNA可以生存和复制是显著的和似乎支持进化过渡生物的存在的可能性具有混合RNA dna基因组。斯克里普斯研究小组正在研究如何改造大肠杆菌的混合基因组功能和计划利用细菌来探索许多进化的问题。

例如,其中一个问题是RNA的存在会导致人口快速基因drift-large基因序列的改变。科学家推测,发生大规模的遗传漂变迅速在早期进化,以及基因组的RNA的存在可以帮助解释基因变化发生得如此之快。

在美国国家科学院院刊发表的论文中,研究人员报告工程的另一个实验室模型进化里程碑认为发生在15亿多年前。他们创造了一个酵母对能源依赖细菌生活在它作为一种有益的寄生虫或“内共生体。”这种复合生物将允许他们调查mitochondria-tiny的古老的起源,细菌细胞内的细胞器产生化学能所有高等生物。

线粒体是普遍认为已经从普通的细菌都被大,单细胞生物。他们在细胞执行几个关键功能。最重要的是,他们作为氧反应器,使用氧气使细胞的基本单元的化学能量,分子ATP。线粒体是细胞至关重要,它们的起源仍有些神秘,虽然有明确的提示从一个更独立的生物体,普遍认为是一种细菌。

线粒体具有双层膜结构和一些细菌一样,一次又一次,就像bacteria-contain自己的DNA。线粒体基因组的分析表明,它的股票一个古老的祖先与现代立克次氏体细菌,可生活在宿主细胞内,引起疾病。强烈支持细菌线粒体起源理论将来自实验表明独立细菌的确可以改变了,在一个evolution-like进展,mitochondria-like共生体。为此,斯克里普斯研究科学家工程大肠杆菌,可以住在,依赖,并提供关键的援助,酿酒酵母细胞,也被称为面包酵母。

研究人员开始通过修改大肠杆菌缺乏维生素b1基因编码,使得细菌依赖的酵母细胞必要的维生素。同时,他们增加了细菌基因ADP / ATP移位酶、转运蛋白,使细菌细胞内ATP生产会提供给他们的酵母细胞hosts-mimicking中央真正线粒体的功能。该小组还修改了酵母,这样自己的线粒体ATP供应不足。因此,将依赖于正常的细菌,酵母mitochondria-based ATP生产。

工程的研究小组发现,一些细菌,被修改后表面蛋白在酵母保护他们免受破坏,在和谐生活和扩散与宿主超过40代无限期似乎是可行的。“修改后的细菌似乎积累新的突变在酵母,以更好地适应新环境,”舒尔茨说。

对于这个系统建立,团队将努力发展成为mitochondria-like细胞器的大肠杆菌。为新的大肠杆菌内共生体,适应生活在酵母可以让它从根本上减轻其基因组的机会。一个典型大肠杆菌细菌,例如,有几千个基因,而线粒体进化出了一套精简的37。

斯克里普斯研究小组的研究进一步gene-subtraction实验,结果是乐观:他们发现他们不仅可以消除大肠杆菌维生素b1基因也是基因潜在的生产氨基酸的代谢分子NAD和丝氨酸,而且还得到一个可行的共生关系。

“我们现在在我们的方式显示,我们可以删除所有20种氨基酸的基因,这包括大肠杆菌基因组的重要组成部分,”舒尔茨说。“一旦我们已经做到了这点,我们将继续删除基因代数余子式和核苷酸的合成,并在几年内我们希望能够得到一个真正的最小基因组内共生。”

研究人员也希望使用类似endosymbiont-host系统调查其他进化的重要事件,如叶绿体的起源、吸光的细胞器mitochondria-like作用向植物提供能量。