در حدود 5000 تا 10000 سال پیش، پرورش لبنیات DNA برخی افراد را تغییر داد. هنگامی که آنها شروع به نوشیدن شیر کردند، ژن های انسان بالغ شروع به تجمع جهش هایی کردند که به آنها در هضم شیر کمک می کرد.
چنین جهش هایی به تکامل ارگانیسم کمک می کند. موجودات پیچیده مانند انسان حاوی هزاران ژن هستند که اکثر آنها برای بقا ضروری نیستند. جهش در این ژن ها کشنده نیست. در نتیجه، نیروهای تکاملی می‌توانند روی این ژن‌ها اثر بگذارند و هر گونه جهش مفید در طول زمان فراوان‌تر می‌شود.
اما چه می شود اگر یک ارگانیسم ساده فقط حاوی آن دسته از ژن های ضروری برای بقای خود باشد؟ هر گونه جهش در چنین ارگانیسمی می تواند به طور کشنده ای عملکرد سلولی آن را مختل کند. چگونه نیروهای تکاملی بر روی ژنوم چنین ارگانیسمی عمل خواهند کرد، در حالی که دارای اهداف کمی است که انتخاب می تواند بر روی آنها اثر بگذارد؟
در طول 2000 نسل
محققان دانشگاه ایندیانا، بلومینگتون، برای پاسخ به این سوال از یک سلول حداقلی با طراحی مصنوعی استفاده کردند که تنها حاوی ژن های ضروری برای بقا بود. یافته های آنها که اخیراً در مجله منتشر شده است طبیعت، نشان داد که حتی چنین سلولی می تواند به سرعت یک سلول عادی تکامل یابد.
جی لنون، استاد دانشگاه ایندیانا، که تیم او این کشف را انجام داده است، گفت: این “ظرفیت موجودات را برای سازگاری نشان می دهد، حتی با یک ژنوم غیرطبیعی که به ظاهر انعطاف پذیری کمی دارد.”
تیم دکتر لنون از یک نسخه مصنوعی استفاده کردند مایکوپلاسما مایکوئیدهامیکروبی که معمولاً در روده بزها و گاوها یافت می شود. آنها یک سلول حداقلی (JCVI-syn3.B) با تنها 493 ژن ایجاد کردند که از 901 ژن موجود در سویه غیر حداقلی (JCVI-syn1.0) کمتر است. اگرچه حداقل سلول‌ها زنده بودند و می‌توانستند تولید مثل کنند، به حداقل رساندن ژنوم آنها را نیز بیمار کرد و تناسب اندام آنها را تا بیش از 50 درصد کاهش داد.
برای آزمایش اینکه آیا این سلول‌های حداقلی در مقایسه با سلول‌های غیر حداقلی به نیروهای تکامل پاسخ متفاوتی می‌دهند یا خیر، تیم آنها را به طور جداگانه در یک محیط مایع رشد داد و هر روز مقدار کمی از جمعیت را به محیط تازه منتقل کرد. آنها این کار را به مدت 300 روز انجام دادند و اجازه دادند دودمان باکتریایی از 2000 نسل (معادل حدود 40000 سال تکامل انسان) عبور کند.
‘این اجتناب ناپذیر است’
در این زمان، آنها دریافتند که سلول‌های حداقل نرخ جهش قابل مقایسه با سلول‌های غیر حداقلی را نشان می‌دهند. (در واقع، مایکوپلاسما مایکوئیدها دارای بالاترین نرخ جهش ثبت شده برای هر ارگانیسم سلولی است.)
جای تعجب نیست که جهش‌ها در سلول حداقل ایجاد شده است. دکتر لنون گفت این امر اجتناب ناپذیر است. آنچه مهمتر است این است که میزان سازگاری با داشتن یک ژنوم مصنوعی کاهش یافته با مشکل مواجه نشد.
در بیش از 300 روز، آنها دریافتند که سلول حداقل به طور موثری تمام تناسب اندام خود را به دلیل به حداقل رساندن ژنوم از دست داده بود، به دست آورد و می تواند به خوبی سلول های به حداقل رسیده عمل کند – که نشان می دهد ژنوم “کاهش یافته” یک نفرین دائمی نیست.
گفته می‌شود که سلول حداقل کوچک‌تر از سلول غیرمینیمم شده است: اندازه سلول غیر حداقل 80 درصد در طول 300 روز افزایش یافته است در حالی که سلول حداقل به همان اندازه باقی می‌ماند. وقتی این تیم ژنوم سلول‌های سازگار را بررسی کردند، دریافتند که سلول‌های حداقل و غیرمینیمال تناسب اندام آنها را بهبود می‌بخشد و از طریق مسیرهای ژنتیکی متمایز تکامل می‌یابد.
تناسب اندام شگفت انگیز
سوال جالبی است که بپرسیم – یک سلول حداقلی در طول تکامل در مقایسه با یک سلول غیر حداقلی از چه جهاتی رفتار متفاوتی خواهد داشت؟ دیپا آگاشه، دانشیار مرکز ملی علوم زیستی (NCBS)، بنگالورو، که زیست‌شناسی تکاملی را مطالعه می‌کند، گفت: اما این واقعیت که یک سلول حداقلی تکامل یافته است، تعجب آور نیست.
“هر چیزی که قادر به زنده ماندن و تولید مثل باشد، می تواند تکامل یابد.”
دکتر آگاشه اضافه کرد که تنوع ژنتیکی کافی برای کمک به تکامل سلول ایجاد خواهد شد، زیرا به لطف نرخ جهش بالا، جمعیت بزرگ مورد استفاده در آزمایش، و مواد رشد کافی ارائه شده در محیط مایع غنی از مواد مغذی.
سامی پانده، استادیار مؤسسه علوم هند در بنگالورو، که دینامیک تکاملی شکارچیان باکتریایی را مطالعه می کند، گفت: جهش ها اجتناب ناپذیر هستند. او اشاره کرد که نرخ بالای جهش تعجب آور نیست – با توجه به اینکه مکانیسم های مسئول اصلاح این جهش ها در سلول های حداقلی به خطر افتاده است. در عوض، او افزود: “من از میزان افزایش تناسب اندام بیشتر متعجب هستم تا اینکه چنین سلول هایی می توانند تکامل یابند.”
به گفته دکتر آگاشه، یک گام جالب این است که ببینیم آیا ارگانیسمی با نرخ جهش ذاتی پایین‌تر نیز سازگار می‌شود یا خیر – چیزی که نویسندگان نیز به آن اشاره کرده‌اند. او همچنین مشاهده کرد که استفاده از جمعیت‌های سلولی مستقل‌تر (آزمایش‌ها دارای چهار مورد است) یا استفاده از محیط‌هایی که رشد میکروبی را چندان تشویق نمی‌کنند، همچنین می‌توانند روش‌های تکامل سلول‌های حداقلی را روشن کنند. متفاوت.
دکتر لنون موافقت کرد و گفت که آنها ممکن است بخواهند ببینند که آیا یک سلول حداقل زمانی که در محیط‌های متفاوت و شاید استرس‌زاتر نگهداری می‌شود به آسانی سازگار می‌شود یا خیر.
“چیزی اساسی در مورد تکامل”
با این وجود، به گفته دکتر پاند، این یافته که پتانسیل تکاملی موجودات علیرغم مسیرهای تکاملی متمایز آنها بسیار بالا است، “سهم بسیار مهمی در درک ما از تکامل میکروبی” است.
«دانشمندان از سناریوهای ساده یاد می‌گیرند. دکتر لنون افزود، ما توانستیم با مطالعه یک سلول حداقلی، چیزهای اساسی در مورد تکامل و محدودیت های آن (یا عدم وجود آن) یاد بگیریم.
او گفت که یافته های تیمش مربوط به زیست شناسی مصنوعی است، جایی که محققان اصول مهندسی را برای طراحی ارگانیسم ها برای کاربرد در پزشکی و تولید سوخت به کار می برند. سلول های مهندسی شده ساکن نیستند. تکامل می یابند. مطالعه ما روشن می کند که چگونه موجودات مصنوعی ممکن است در مواجهه با نیروهای اجتناب ناپذیر تکامل تغییر کنند.
دکتر آگاشه موافقت کرد. او به اهمیت حداقل سلول ها در زیست شناسی مصنوعی اشاره کرد، زیرا ژنوم های بزرگ سلول های باکتریایی نرمال می توانند در توانایی سلول برای انجام کاری که برای آن طراحی شده است تداخل ایجاد کنند. از این منظر، “خوب است که سلول های حداقلی را بیشتر درک کنیم و بدانیم که می توان آن سلول های مصنوعی را به روش های جالبی تکامل داد.”
“من احساس می کنم که در آینده به کارهای جالب زیادی منجر خواهد شد.”
اسنها خدکار یک روزنامه‌نگار علمی آزاد است که زیست‌شناس است و ساکن بنگالورو است.