计算机模型预测哪些生物能够吞噬细胞

美国自然历史博物馆的一个研究小组创建了一个计算模型，能够预测生物体是否具有通过吞噬作用过程“吞噬”其他细胞的能力。该模型可能是大规模微生物调查的有用工具，可以为地球上复杂生命的演变提供有价值的见解，对最近研究中提出的观点提出挑战。该模型和研究人员的研究结果发表在今天发表在“自然生态与进化”杂志上的一篇论文中。

“吞噬作用是许多单细胞生物体内营养吸收的主要机制，对许多生物，包括人类的免疫防御至关重要，”共同作者Eunsoo Kim说，他是美国自然历史博物馆的副馆长。无脊椎动物学系。“但鲜为人知的是，吞噬作用的历史可以追溯到20亿至30亿年前，并且在那些可能开始向我们今天在地球上看到的更加多样化和复杂的生命的层叠演化中开始的共生关系中发挥了作用。我们的研究提供了一些提示关于吞噬作用是如何首次出现的。“

原核生物，包括细菌和古细菌，是微观的，大多是单细胞生物，内部结构相对简单。真核生物，包括动物，植物，真菌和原生生物(代表多种不相关谱系的组合，如变形虫和绿藻)，通常具有较大的细胞，其中充满了许多内部成分，包括细胞核，其中DNA是存储的和产生能量的细胞器称为线粒体。科学理论规定，在大约20亿到30亿年前，单个细菌与不相关的原核微生物合并，导致线粒体的进化 - 这是真核细胞的一个关键特征。这次合并只发生一次，一些科学家认为这个过程涉及细胞“吞噬”。然而，今天没有已知的能够吞噬细胞的原核生物。那么在什么情况下出现这种特质呢?

为了研究这个长期存在的问题，研究小组使用了吞噬细胞常见的遗传模式来构建计算模型，该模型使用机器学习来预测生物体是否通过吞噬作用进食。

“没有一组基因可以强烈预测吞噬作用，因为它是一个非常复杂的过程，可能涉及1000多个基因，这些基因在不同物种之间可能有很大不同，”主要作者，研究科学家约翰·伯恩斯说。博物馆的Sackler比较基因组学研究所。“但是当我们开始研究越来越多的真核生物的基因组时，出现了一种遗传模式，它存在于多样性中，即使它在每个物种中略有不同。这种模式是我们模型的核心。 ，我们可以用它来非常快速有效地预测哪些细胞可能是'食客'，哪些不是'食客'。

因为许多真核生物，例如一些绿藻，可以“挑食” - 仅在某些条件下进食 - 仅仅通过在显微镜下观察它们就很难确定它们是否能够吞噬吞噬作用。这种新模型可以帮助微生物学家进行快速评估，它也可能对涉及多种未知微生物物种的大型DNA测序项目有用，例如，调查海水样本。

研究人员将该模型应用于一组名为Asgard archaea的“真核生物”微生物。近年来，一些研究人员提出，Asgard微生物可能是长期追捧的微生物的亲戚，这些微生物与成为线粒体的细菌合并。但研究人员的新研究发现，这些微生物很可能不会使用吞噬作用。他们还使用了作为模型构建过程一部分而开发的基因组，更加仔细地观察古老的古细菌和细菌谱系，并发现，作为一个整体，这两个群体本身都没有吞噬作用所需的基因。虽然这项新工作消除了线粒体出生的一种情况 - 阿斯加德古细菌吞噬了一种细菌 - 许多其他选择仍然存在。

“当你把这些预测基因的成分分开时，有些根源于古细菌，有些根源于细菌，有些只是真核生物所特有的，”金说。“我们的数据与我们的细胞是古细菌和细菌成分的嵌合体的假设是一致的，只有在这种组合发生后才会出现吞噬过程。我们在这个领域还有很多工作要做。”