摘要：經(jīng)過3000多代的實驗室進(jìn)化，佐治亞理工學(xué)院的研究人員觀察到他們的模式生物“雪花酵母”開始適應(yīng)成為多細(xì)胞群體。
如果沒有多細(xì)胞生物，這個世界看起來會非常不同——如果除去植物、動物、真菌和海藻，地球初始看起來像一個更濕潤、更環(huán)保的火星。但多細(xì)胞生物究竟是如何從單細(xì)胞祖先進(jìn)化而來的，人們?nèi)匀恢跎佟＿@種轉(zhuǎn)變發(fā)生在數(shù)億年前，早期的多細(xì)胞物種大部分都滅絕了。
為了研究多細(xì)胞生命是如何從零開始進(jìn)化的，佐治亞理工學(xué)院的研究人員決定將進(jìn)化掌握在自己手中。在生物科學(xué)學(xué)院副教授、定量生物科學(xué)跨學(xué)科研究生項目主任William Ratcliff的帶領(lǐng)下，一組研究人員啟動了第一個長期進(jìn)化實驗，旨在從實驗室的單細(xì)胞祖先進(jìn)化出新的多細(xì)胞生物。
經(jīng)過3000多代的實驗室進(jìn)化，研究人員觀察到他們的模式生物“雪花酵母（snowflake yeast）”開始適應(yīng)成為多細(xì)胞個體。在發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，研究小組展示了雪花酵母是如何進(jìn)化成更強(qiáng)壯的，比原先大2萬多倍的多細(xì)胞群體。這種類型的生物物理進(jìn)化是那種可以用肉眼看到的大型多細(xì)胞生命的先決條件。他們的研究是正在進(jìn)行的多細(xì)胞長期進(jìn)化實驗(MuLTEE)的第一份主要報告，該團(tuán)隊希望能持續(xù)幾十年。
圖1 研究小組展示了雪花酵母是如何進(jìn)化成更強(qiáng)壯的多細(xì)胞群體
Ratcliff說:“從概念上講，我們想要了解的是，簡單的細(xì)胞群是如何進(jìn)化成有機(jī)體的，它們具有特化、協(xié)調(diào)生長、涌現(xiàn)的多細(xì)胞行為和生命周期——這些是區(qū)分一堆池塘浮渣和能夠持續(xù)進(jìn)化的有機(jī)體的東西。”“了解這個過程是我們這個領(lǐng)域的一個主要目標(biāo)。”
多細(xì)胞長期進(jìn)化實驗
Ratcliff小組的前博士后研究員、該論文的第一作者Ozan Bozdag于2018年啟動了MuLTEE，從單細(xì)胞雪花酵母開始。Bozdag在搖瓶培養(yǎng)箱中培養(yǎng)酵母，每天選擇更快的生長速度和更大的群體規(guī)模。
研究小組根據(jù)生物體的大小進(jìn)行選擇，因為所有的多細(xì)胞譜系一開始都是小而簡單的，隨著時間的推移，許多進(jìn)化得更大更健壯。人們認(rèn)為，長出又大又結(jié)實的身體的能力在增加復(fù)雜性方面發(fā)揮了作用，因為這需要新的生物物理創(chuàng)新。然而，這一假設(shè)從未在實驗室中得到直接驗證。
經(jīng)過大約3000代的進(jìn)化，他們的酵母菌進(jìn)化形成了比他們祖先大2萬多倍的群體。它們從肉眼看不見到果蠅大小，包含超過50萬個細(xì)胞。單個雪花酵母進(jìn)化出了新的材料特性:雖然它們開始比明膠還弱，但經(jīng)過進(jìn)化變得像木頭一樣堅固和堅韌。
圖2 每個群體和治療組的大小演變的時間動力學(xué)
新的生物物理適應(yīng)
在研究雪花酵母如何適應(yīng)變大的過程中，研究人員觀察到酵母細(xì)胞本身變得細(xì)長，減少了細(xì)胞的密度。這種細(xì)胞伸長減緩了細(xì)胞間應(yīng)力的積累，而應(yīng)力通常會導(dǎo)致細(xì)胞簇斷裂，從而使細(xì)胞群變得更大。但這一事實本身只會導(dǎo)致尺寸和多細(xì)胞韌性的小幅增加。為了揭示允許生長到宏觀大小的精確生物物理機(jī)制，研究人員需要觀察酵母簇內(nèi)部，以了解細(xì)胞如何在物理上相互作用。普通光學(xué)顯微鏡無法穿透大而密集的群體，因此研究人員使用掃描電子顯微鏡對成千上萬的超薄酵母片進(jìn)行成像，從而獲得它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
Bozdag說:“我們發(fā)現(xiàn)有一種全新的物理機(jī)制使這些群體能夠發(fā)展到如此龐大的規(guī)模。”“酵母的分支已經(jīng)糾纏在一起——集群細(xì)胞進(jìn)化出了藤蔓狀的行為，相互纏繞，加強(qiáng)了整個結(jié)構(gòu)。”
通過簡單地選擇一個有機(jī)體的大小，研究人員發(fā)現(xiàn)了如何利用纏結(jié)的生物力學(xué)機(jī)制，最終使酵母作為一種材料的硬度增加了大約1萬倍。
“以前已經(jīng)在完全不同的系統(tǒng)中研究過糾纏，主要是在聚合物中，”物理學(xué)院副教授、論文的合著者Peter Yunker說。“但在這里，我們通過一種完全不同的機(jī)制看到了糾纏——細(xì)胞的生長，而不僅僅是通過它們的運(yùn)動。”
觀察到這種纏結(jié)是研究人員理解簡單的多細(xì)胞群體是如何進(jìn)化的一個轉(zhuǎn)折點。雪花酵母作為一種全新的多細(xì)胞生物，缺乏現(xiàn)代多細(xì)胞生物所特有的復(fù)雜發(fā)育機(jī)制。但經(jīng)過3000代的實驗室進(jìn)化，酵母發(fā)現(xiàn)了如何驅(qū)動和選擇細(xì)胞纏結(jié)作為一種發(fā)育機(jī)制。對其他多細(xì)胞真菌的初步研究表明，它們也形成高度糾纏的多細(xì)胞體，這表明糾纏是多細(xì)胞生命分支中廣泛而重要的多細(xì)胞特征。
圖3 宏觀雪花酵母是單克隆的，通過永久的母子細(xì)胞鍵生長，而不是聚集。
Ratcliff說:“我真的很高興有一個模型系統(tǒng)，我們可以利用現(xiàn)代科學(xué)的強(qiáng)大力量，在數(shù)千代的時間里進(jìn)化出早期的多細(xì)胞生命。”“原則上，我們可以理解正在發(fā)生的一切，從進(jìn)化細(xì)胞生物學(xué)到直接受選擇影響的生物物理特征。”
很長一段時間以來，人類一直在與生物學(xué)合作，進(jìn)化（培育）出新的東西——從我們吃的玉米到家養(yǎng)的狗、雞和鴿子。根據(jù)Ratcliff的說法，他們的團(tuán)隊所做的事情并沒有太大的不同。“通過了解單細(xì)胞生物進(jìn)化的規(guī)模，我們可以弄清楚它們是如何逐漸進(jìn)化成更復(fù)雜、更整合的多細(xì)胞生物的，并可以研究這一過程。”“我們希望這只是多細(xì)胞發(fā)現(xiàn)的漫長故事的第一章，因為我們將繼續(xù)在MuLTEE中進(jìn)化雪花酵母。”
參考資料：
[1] De novo evolution of macroscopic multicellularity
摘要：經(jīng)過3000多代的實驗室進(jìn)化，佐治亞理工學(xué)院的研究人員觀察到他們的模式生物“雪花酵母”開始適應(yīng)成為多細(xì)胞群體。
如果沒有多細(xì)胞生物，這個世界看起來會非常不同——如果除去植物、動物、真菌和海藻，地球初始看起來像一個更濕潤、更環(huán)保的火星。但多細(xì)胞生物究竟是如何從單細(xì)胞祖先進(jìn)化而來的，人們?nèi)匀恢跎佟＿@種轉(zhuǎn)變發(fā)生在數(shù)億年前，早期的多細(xì)胞物種大部分都滅絕了。
為了研究多細(xì)胞生命是如何從零開始進(jìn)化的，佐治亞理工學(xué)院的研究人員決定將進(jìn)化掌握在自己手中。在生物科學(xué)學(xué)院副教授、定量生物科學(xué)跨學(xué)科研究生項目主任William Ratcliff的帶領(lǐng)下，一組研究人員啟動了第一個長期進(jìn)化實驗，旨在從實驗室的單細(xì)胞祖先進(jìn)化出新的多細(xì)胞生物。
經(jīng)過3000多代的實驗室進(jìn)化，研究人員觀察到他們的模式生物“雪花酵母（snowflake yeast）”開始適應(yīng)成為多細(xì)胞個體。在發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，研究小組展示了雪花酵母是如何進(jìn)化成更強(qiáng)壯的，比原先大2萬多倍的多細(xì)胞群體。這種類型的生物物理進(jìn)化是那種可以用肉眼看到的大型多細(xì)胞生命的先決條件。他們的研究是正在進(jìn)行的多細(xì)胞長期進(jìn)化實驗(MuLTEE)的第一份主要報告，該團(tuán)隊希望能持續(xù)幾十年。
圖1 研究小組展示了雪花酵母是如何進(jìn)化成更強(qiáng)壯的多細(xì)胞群體
Ratcliff說:“從概念上講，我們想要了解的是，簡單的細(xì)胞群是如何進(jìn)化成有機(jī)體的，它們具有特化、協(xié)調(diào)生長、涌現(xiàn)的多細(xì)胞行為和生命周期——這些是區(qū)分一堆池塘浮渣和能夠持續(xù)進(jìn)化的有機(jī)體的東西。”“了解這個過程是我們這個領(lǐng)域的一個主要目標(biāo)。”
多細(xì)胞長期進(jìn)化實驗
Ratcliff小組的前博士后研究員、該論文的第一作者Ozan Bozdag于2018年啟動了MuLTEE，從單細(xì)胞雪花酵母開始。Bozdag在搖瓶培養(yǎng)箱中培養(yǎng)酵母，每天選擇更快的生長速度和更大的群體規(guī)模。
研究小組根據(jù)生物體的大小進(jìn)行選擇，因為所有的多細(xì)胞譜系一開始都是小而簡單的，隨著時間的推移，許多進(jìn)化得更大更健壯。人們認(rèn)為，長出又大又結(jié)實的身體的能力在增加復(fù)雜性方面發(fā)揮了作用，因為這需要新的生物物理創(chuàng)新。然而，這一假設(shè)從未在實驗室中得到直接驗證。
經(jīng)過大約3000代的進(jìn)化，他們的酵母菌進(jìn)化形成了比他們祖先大2萬多倍的群體。它們從肉眼看不見到果蠅大小，包含超過50萬個細(xì)胞。單個雪花酵母進(jìn)化出了新的材料特性:雖然它們開始比明膠還弱，但經(jīng)過進(jìn)化變得像木頭一樣堅固和堅韌。
圖2 每個群體和治療組的大小演變的時間動力學(xué)
新的生物物理適應(yīng)
在研究雪花酵母如何適應(yīng)變大的過程中，研究人員觀察到酵母細(xì)胞本身變得細(xì)長，減少了細(xì)胞的密度。這種細(xì)胞伸長減緩了細(xì)胞間應(yīng)力的積累，而應(yīng)力通常會導(dǎo)致細(xì)胞簇斷裂，從而使細(xì)胞群變得更大。但這一事實本身只會導(dǎo)致尺寸和多細(xì)胞韌性的小幅增加。為了揭示允許生長到宏觀大小的精確生物物理機(jī)制，研究人員需要觀察酵母簇內(nèi)部，以了解細(xì)胞如何在物理上相互作用。普通光學(xué)顯微鏡無法穿透大而密集的群體，因此研究人員使用掃描電子顯微鏡對成千上萬的超薄酵母片進(jìn)行成像，從而獲得它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
Bozdag說:“我們發(fā)現(xiàn)有一種全新的物理機(jī)制使這些群體能夠發(fā)展到如此龐大的規(guī)模。”“酵母的分支已經(jīng)糾纏在一起——集群細(xì)胞進(jìn)化出了藤蔓狀的行為，相互纏繞，加強(qiáng)了整個結(jié)構(gòu)。”
通過簡單地選擇一個有機(jī)體的大小，研究人員發(fā)現(xiàn)了如何利用纏結(jié)的生物力學(xué)機(jī)制，最終使酵母作為一種材料的硬度增加了大約1萬倍。
“以前已經(jīng)在完全不同的系統(tǒng)中研究過糾纏，主要是在聚合物中，”物理學(xué)院副教授、論文的合著者Peter Yunker說。“但在這里，我們通過一種完全不同的機(jī)制看到了糾纏——細(xì)胞的生長，而不僅僅是通過它們的運(yùn)動。”
觀察到這種纏結(jié)是研究人員理解簡單的多細(xì)胞群體是如何進(jìn)化的一個轉(zhuǎn)折點。雪花酵母作為一種全新的多細(xì)胞生物，缺乏現(xiàn)代多細(xì)胞生物所特有的復(fù)雜發(fā)育機(jī)制。但經(jīng)過3000代的實驗室進(jìn)化，酵母發(fā)現(xiàn)了如何驅(qū)動和選擇細(xì)胞纏結(jié)作為一種發(fā)育機(jī)制。對其他多細(xì)胞真菌的初步研究表明，它們也形成高度糾纏的多細(xì)胞體，這表明糾纏是多細(xì)胞生命分支中廣泛而重要的多細(xì)胞特征。
圖3 宏觀雪花酵母是單克隆的，通過永久的母子細(xì)胞鍵生長，而不是聚集。
Ratcliff說:“我真的很高興有一個模型系統(tǒng)，我們可以利用現(xiàn)代科學(xué)的強(qiáng)大力量，在數(shù)千代的時間里進(jìn)化出早期的多細(xì)胞生命。”“原則上，我們可以理解正在發(fā)生的一切，從進(jìn)化細(xì)胞生物學(xué)到直接受選擇影響的生物物理特征。”
很長一段時間以來，人類一直在與生物學(xué)合作，進(jìn)化（培育）出新的東西——從我們吃的玉米到家養(yǎng)的狗、雞和鴿子。根據(jù)Ratcliff的說法，他們的團(tuán)隊所做的事情并沒有太大的不同。“通過了解單細(xì)胞生物進(jìn)化的規(guī)模，我們可以弄清楚它們是如何逐漸進(jìn)化成更復(fù)雜、更整合的多細(xì)胞生物的，并可以研究這一過程。”“我們希望這只是多細(xì)胞發(fā)現(xiàn)的漫長故事的第一章，因為我們將繼續(xù)在MuLTEE中進(jìn)化雪花酵母。”
參考資料：
[1] De novo evolution of macroscopic multicellularity
