摘要：經(jīng)過(guò)3000多代的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，佐治亞理工學(xué)院的研究人員觀(guān)察到他們的模式生物“雪花酵母”開(kāi)始適應(yīng)成為多細(xì)胞群體。
如果沒(méi)有多細(xì)胞生物，這個(gè)世界看起來(lái)會(huì)非常不同——如果除去植物、動(dòng)物、真菌和海藻，地球初始看起來(lái)像一個(gè)更濕潤(rùn)、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(lái)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(kāi)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(xiàng)目主任William Ratcliff的帶領(lǐng)下，一組研究人員啟動(dòng)了第一個(gè)長(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，旨在從實(shí)驗(yàn)室的單細(xì)胞祖先進(jìn)化出新的多細(xì)胞生物。
經(jīng)過(guò)3000多代的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，研究人員觀(guān)察到他們的模式生物“雪花酵母（snowflake yeast）”開(kāi)始適應(yīng)成為多細(xì)胞個(gè)體。在發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)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(wàn)多倍的多細(xì)胞群體。這種類(lèi)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(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)(MuLTEE)的第一份主要報(bào)告，該團(tuán)隊(duì)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(shuō):“從概念上講，我們想要了解的是，簡(jiǎn)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(zhǎng)、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(gè)過(guò)程是我們這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)主要目標(biāo)。”
多細(xì)胞長(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)
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(dòng)了MuLTEE，從單細(xì)胞雪花酵母開(kāi)始。Bozdag在搖瓶培養(yǎng)箱中培養(yǎng)酵母，每天選擇更快的生長(zhǎng)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?yàn)樗械亩嗉?xì)胞譜系一開(kāi)始都是小而簡(jiǎn)單的，隨著時(shí)間的推移，許多進(jìn)化得更大更健壯。人們認(rèn)為，長(zhǎng)出又大又結(jié)實(shí)的身體的能力在增加復(fù)雜性方面發(fā)揮了作用，因?yàn)檫@需要新的生物物理創(chuàng)新。然而，這一假設(shè)從未在實(shí)驗(yàn)室中得到直接驗(yàn)證。
經(jīng)過(guò)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(wàn)多倍的群體。它們從肉眼看不見(jiàn)到果蠅大小，包含超過(guò)50萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。單個(gè)雪花酵母進(jìn)化出了新的材料特性:雖然它們開(kāi)始比明膠還弱，但經(jīng)過(guò)進(jìn)化變得像木頭一樣堅(jiān)固和堅(jiān)韌。
圖2 每個(gè)群體和治療組的大小演變的時(shí)間動(dòng)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(guò)程中，研究人員觀(guān)察到酵母細(xì)胞本身變得細(xì)長(zhǎng)，減少了細(xì)胞的密度。這種細(xì)胞伸長(zhǎng)減緩了細(xì)胞間應(yīng)力的積累，而應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞簇?cái)嗔眩瑥亩辜?xì)胞群變得更大。但這一事實(shí)本身只會(huì)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(zhǎng)到宏觀(guān)大小的精確生物物理機(jī)制，研究人員需要觀(guān)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(wú)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(duì)成千上萬(wàn)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(shuō):“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(gè)結(jié)構(gòu)。”
通過(guò)簡(jiǎn)單地選擇一個(gè)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(wàn)倍。
“以前已經(jīng)在完全不同的系統(tǒng)中研究過(guò)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(shuō)。“但在這里，我們通過(guò)一種完全不同的機(jī)制看到了糾纏——細(xì)胞的生長(zhǎng)，而不僅僅是通過(guò)它們的運(yùn)動(dòng)。”
觀(guān)察到這種纏結(jié)是研究人員理解簡(jiǎn)單的多細(xì)胞群體是如何進(jìn)化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(guò)3000代的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，酵母發(fā)現(xiàn)了如何驅(qū)動(dòng)和選擇細(xì)胞纏結(jié)作為一種發(fā)育機(jī)制。對(duì)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(guān)雪花酵母是單克隆的，通過(guò)永久的母子細(xì)胞鍵生長(zhǎng)，而不是聚集。
Ratcliff說(shuō):“我真的很高興有一個(gè)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(shí)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(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人類(lèi)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(shuō)法，他們的團(tuán)隊(duì)所做的事情并沒(méi)有太大的不同。“通過(guò)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(guò)程。”“我們希望這只是多細(xì)胞發(fā)現(xiàn)的漫長(zhǎng)故事的第一章，因?yàn)槲覀儗⒗^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(guò)3000多代的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，佐治亞理工學(xué)院的研究人員觀(guān)察到他們的模式生物“雪花酵母”開(kāi)始適應(yīng)成為多細(xì)胞群體。
如果沒(méi)有多細(xì)胞生物，這個(gè)世界看起來(lái)會(huì)非常不同——如果除去植物、動(dòng)物、真菌和海藻，地球初始看起來(lái)像一個(gè)更濕潤(rùn)、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(lái)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(kāi)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(xiàng)目主任William Ratcliff的帶領(lǐng)下，一組研究人員啟動(dòng)了第一個(gè)長(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)，旨在從實(shí)驗(yàn)室的單細(xì)胞祖先進(jìn)化出新的多細(xì)胞生物。
經(jīng)過(guò)3000多代的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，研究人員觀(guān)察到他們的模式生物“雪花酵母（snowflake yeast）”開(kāi)始適應(yīng)成為多細(xì)胞個(gè)體。在發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)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(wàn)多倍的多細(xì)胞群體。這種類(lèi)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(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)(MuLTEE)的第一份主要報(bào)告，該團(tuán)隊(duì)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(shuō):“從概念上講，我們想要了解的是，簡(jiǎn)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(zhǎng)、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(gè)過(guò)程是我們這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)主要目標(biāo)。”
多細(xì)胞長(zhǎng)期進(jìn)化實(shí)驗(yàn)
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(dòng)了MuLTEE，從單細(xì)胞雪花酵母開(kāi)始。Bozdag在搖瓶培養(yǎng)箱中培養(yǎng)酵母，每天選擇更快的生長(zhǎng)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?yàn)樗械亩嗉?xì)胞譜系一開(kāi)始都是小而簡(jiǎn)單的，隨著時(shí)間的推移，許多進(jìn)化得更大更健壯。人們認(rèn)為，長(zhǎng)出又大又結(jié)實(shí)的身體的能力在增加復(fù)雜性方面發(fā)揮了作用，因?yàn)檫@需要新的生物物理創(chuàng)新。然而，這一假設(shè)從未在實(shí)驗(yàn)室中得到直接驗(yàn)證。
經(jīng)過(guò)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(wàn)多倍的群體。它們從肉眼看不見(jiàn)到果蠅大小，包含超過(guò)50萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。單個(gè)雪花酵母進(jìn)化出了新的材料特性:雖然它們開(kāi)始比明膠還弱，但經(jīng)過(guò)進(jìn)化變得像木頭一樣堅(jiān)固和堅(jiān)韌。
圖2 每個(gè)群體和治療組的大小演變的時(shí)間動(dòng)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(guò)程中，研究人員觀(guān)察到酵母細(xì)胞本身變得細(xì)長(zhǎng)，減少了細(xì)胞的密度。這種細(xì)胞伸長(zhǎng)減緩了細(xì)胞間應(yīng)力的積累，而應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞簇?cái)嗔眩瑥亩辜?xì)胞群變得更大。但這一事實(shí)本身只會(huì)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(zhǎng)到宏觀(guān)大小的精確生物物理機(jī)制，研究人員需要觀(guān)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(wú)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(duì)成千上萬(wàn)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(shuō):“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(gè)結(jié)構(gòu)。”
通過(guò)簡(jiǎn)單地選擇一個(gè)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(wàn)倍。
“以前已經(jīng)在完全不同的系統(tǒng)中研究過(guò)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(shuō)。“但在這里，我們通過(guò)一種完全不同的機(jī)制看到了糾纏——細(xì)胞的生長(zhǎng)，而不僅僅是通過(guò)它們的運(yùn)動(dòng)。”
觀(guān)察到這種纏結(jié)是研究人員理解簡(jiǎn)單的多細(xì)胞群體是如何進(jìn)化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(guò)3000代的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，酵母發(fā)現(xiàn)了如何驅(qū)動(dòng)和選擇細(xì)胞纏結(jié)作為一種發(fā)育機(jī)制。對(duì)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(guān)雪花酵母是單克隆的，通過(guò)永久的母子細(xì)胞鍵生長(zhǎng)，而不是聚集。
Ratcliff說(shuō):“我真的很高興有一個(gè)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(shí)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(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人類(lèi)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(shuō)法，他們的團(tuán)隊(duì)所做的事情并沒(méi)有太大的不同。“通過(guò)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(guò)程。”“我們希望這只是多細(xì)胞發(fā)現(xiàn)的漫長(zhǎng)故事的第一章，因?yàn)槲覀儗⒗^續(xù)在MuLTEE中進(jìn)化雪花酵母。”
參考資料：
[1] De novo evolution of macroscopic multicellularity
