Многоклеточные дрожжи и создание искусственных организмов: как биологи провели 2023 год

В конце года принято подводить итоги. «Вокруг света» решил предоставить слово людям, которые занимаются непосредственно наукой, — чтобы они смогли поделиться самыми захватывающими событиями 2023 года. О достижениях биологов рассказывает доктор биологических наук, профессор РАН Александр Марков.

1. Биологи превратили одноклеточные организмы в многоклеточные, более того — видимые невооруженным глазом

Изобретение многоклеточности — один из важнейших этапов в истории планеты. Интересно, что многоклеточность возникала много раз: животные, зеленые растения, несколько разных линий водорослей и грибов «открыли» ее независимо друг от друга. Как это происходило, до сих пор не вполне ясно, ведь наблюдать за процессом было некому.

Однако теперь экспериментаторы могут повторить его в миниатюре. В 2012 году группа Уильяма Рэтклиффа вывела многоклеточные дрожжи-снежинки (исходно дрожжи — одноклеточные грибы). Отбирали дрожжи, образующие самые большие скопления клеток, давали им размножаться и повторяли процесс. В итоге появились дрожжи, клетки которых не до конца разделяются при почковании. Сросшиеся клетки образуют причудливые структуры, похожие на снежинки — отсюда и название.

В предыдущих экспериментах они никогда не достигали макроскопических размеров. Любая часть «снежинки» была соединена с целым всего одной клеткой, и такая хрупкая связь легко рвалась. Но в 2023 году Рэтклифф с коллегами опубликовал итоги 600-дневного эксперимента. Биологи взяли «снежинки» средним размером около сотни клеток и устроили им отбор на размер.

В результате отдельные колонии дрожжей достигли полумиллиона клеток и нескольких миллиметров в диаметре. Так биологи всего за 600 дней получили макроскопические многоклеточные организмы. Впечатляюще!

Еще один важный результат касается не только прошлого жизни, но и ее будущего.

2. Биологи приблизились к созданию искусственных организмов с заданными свойствами

К этой великой цели биологи упорно двигаются много лет. Еще в 2010 году ученые получили первое живое существо с синтетическим геномом (штамм syn1.0). В 2016 году сделали следующий шаг: убрали из этого генома все гены, кроме необходимых для жизни и размножения. От 901 гена осталось 493. Из них 474 жизненно важны, а 19 обеспечивают приемлемую для экспериментаторов скорость размножения бактерии. Этот «минимальный» штамм обозначили syn3B.

Авторов нового исследования интересовал вопрос: сможет ли «бактерия на минималках» эволюционировать? Материал для эволюции — случайные мутации. Некоторые из них оказываются полезными, и отбор их закрепляет (хотя гораздо чаще мутации оказываются вредными). Поскольку у syn3B остались только жизненно важные гены, можно было предположить, что вредные мутации убьют ее быстрее, чем успеют накопиться полезные. С другой стороны, улучшать плохое легче, чем улучшать хорошее. Случайное вмешательство в еле-еле функционирующий «полуразобранный» геном с большей вероятностью окажется полезным, чем такое же вмешательство в геном, вылизанный миллиардами лет эволюции. Без эксперимента трудно было сказать, какой эффект перевесит.

В 2023 году ученые опубликовали результаты 300-дневного эксперимента, в ходе которого сменилось примерно 2000 поколений бактерий. Результаты оказались неожиданными: «минимальная» бактерия syn3B эволюционировала даже быстрее, чем исходный штамм syn1.0. Изначально syn3B размножалась вдвое медленнее, чем ее прототип syn1.0 — такой ущерб нанесло ей урезание генома. Но к концу эксперимента она компенсировала этот ущерб, вернув скорость размножения к уровню «до операции». Конечно, бактерия syn1.0 тоже не стояла на месте. Но она эволюционировала не так быстро, как «урезанная» версия, так что разрыв между ними сократился.

О чем говорит этот результат? Во-первых, эволюция может улучшать даже самые уязвимые формы жизни, которые, казалось бы, только тронь, и они рассыплются. Это важно в свете вопроса, как на Земле зародилась жизнь. А во-вторых, открытие дает надежду, что конструирование радикально упрощенных (и потому более понятных) организмов — не тупиковый путь. Возможно, в будущем на их основе будут созданы полезные для человека искусственные организмы.

_{Фото: Александр Марков; angellodeco/Shutterstock/Fotodom.ru, William Ratcliff / Georgia Institute of Technology, TOM DEERINCK AND MARK ELLISMAN OF THE NATIONAL CENTER FOR IMAGING AND MICROSCOPY RESEARCH AT THE UNIVERSITY OF CALIFORNIA AT SAN DIEGO}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 10, декабрь-январь 2023/2024}