실험실에서의 장기적인 실험 진화 - ScienceDaily

다세포 유기체가 없다면 세상은 매우 다르게 보일 것입니다. 식물, 동물, 균류, 해초를 없애면 지구는 더 습하고 푸르른 버전의 화성처럼 보이기 시작합니다. 그러나 정확히 어떻게 다세포 유기체가 단세포 조상으로부터 진화했는지는 잘 알려져 있지 않습니다. 전환은 수억 년 전에 발생했으며 초기 다세포 종은 대부분 멸종되었습니다.

다세포 생물이 처음부터 어떻게 진화하는지 조사하기 위해 Georgia Institute of Technology의 연구원들은 진화를 직접 하기로 결정했습니다. 생명과학부의 부교수이자 양적 생명과학의 학제간 대학원 프로그램 책임자인 William Ratcliff가 이끄는 연구팀은 단세포 조상으로부터 새로운 종류의 다세포 유기체를 진화시키는 것을 목표로 하는 최초의 장기 진화 실험을 시작했습니다. 실험실에서.

3,000세대가 넘는 연구실 진화에서 연구원들은 모델 유기체인 “눈송이 효모”가 다세포 개체로 적응하기 시작하는 것을 관찰했습니다. 에 발표된 연구에서 자연, 팀은 어떻게 눈송이 효모가 조상보다 물리적으로 더 강하고 20,000배 이상 더 커지도록 진화했는지 보여줍니다. 이러한 유형의 생물물리학적 진화는 육안으로 볼 수 있는 거대한 다세포 생명체의 전제 조건입니다. 그들의 연구는 팀이 수십 년 동안 실행하기를 희망하는 진행 중인 Multicellularity Long-Term Evolution Experiment(MuLTEE)에 대한 첫 번째 주요 보고서입니다.

“개념적으로 우리가 이해하고 싶은 것은 어떻게 단순한 세포 그룹이 전문화, 조정된 성장, 출현하는 다세포 행동 및 수명 주기를 통해 유기체로 진화하는지입니다. 진화”라고 Ratcliff는 말했습니다. “그 프로세스를 이해하는 것이 우리 분야의 주요 목표입니다.”

다세포 장기 진화 실험

연구 과학자이자 Ratcliff 그룹의 전 박사후 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 Ozan Bozdag는 2018년에 단세포 눈송이 효모로 시작하여 MuLTEE를 시작했습니다. Bozdag는 진탕 인큐베이터에서 효모를 키웠고 매일 더 빠른 성장과 더 큰 그룹 크기를 위해 선택했습니다.

팀은 모든 다세포 계통이 작고 단순하게 시작하여 시간이 지남에 따라 더 크고 더 강력하게 진화했기 때문에 유기체 크기를 선택했습니다. 크고 튼튼한 몸을 키우는 능력은 새로운 생물 물리학적 혁신이 필요하기 때문에 복잡성을 증가시키는 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 그러나 이 가설은 실험실에서 직접 테스트된 적이 없습니다.

약 3,000세대의 진화에 걸쳐 그들의 효모는 진화하여 조상보다 20,000배 이상 큰 그룹을 형성했습니다. 그들은 육안으로 보이지 않는 것에서 50만 개가 넘는 세포를 포함하는 초파리 크기로 변했습니다. 개별 눈송이 효모는 새로운 물질 특성을 진화시켰습니다. 처음에는 젤라틴보다 약했지만 나무만큼 강하고 질기도록 진화했습니다.

새로운 생물물리학적 적응

연구원들은 눈송이 효모가 더 커지도록 적응하는 방법을 조사하면서 효모 세포 자체가 길어져 그룹으로 채워진 세포의 밀도를 감소시키는 것을 관찰했습니다. 이 세포 신장은 일반적으로 클러스터가 부서지는 원인이 되는 세포 간 스트레스의 축적을 늦추어 그룹이 더 커질 수 있도록 합니다. 그러나이 사실만으로도 크기와 다세포 인성이 약간 증가했을뿐입니다.

거시적 크기로 성장할 수 있는 정확한 생물리학적 메커니즘을 밝히기 위해 연구자들은 효모 클러스터 내부를 살펴보고 세포가 물리적으로 어떻게 상호 작용하는지 확인해야 했습니다. 일반 광학 현미경은 크고 밀집된 그룹을 통과할 수 없었기 때문에 연구자들은 주사 전자 현미경을 사용하여 내부 구조를 제공하는 수천 개의 매우 얇은 효모 조각을 이미지화했습니다.

Bozdag는 “우리는 그룹이 이렇게 매우 큰 크기로 성장할 수 있도록 하는 완전히 새로운 물리적 메커니즘이 있음을 발견했습니다.”라고 말했습니다. “효모의 가지가 얽히게 되었습니다. 클러스터 세포는 포도나무와 같은 행동으로 진화하여 서로를 감싸고 전체 구조를 강화했습니다.”

단순히 유기체의 크기를 선택함으로써 연구자들은 얽힘의 생체역학적 메커니즘을 활용하는 방법을 알아냈고, 결국 효모를 물질보다 약 10,000배 더 강하게 만들었습니다.

얽힘은 이전에 완전히 다른 시스템, 주로 폴리머에서 연구되었습니다. “그러나 여기에서 우리는 완전히 다른 메커니즘을 통해 얽힘을 보고 있습니다. 세포의 움직임을 통해서가 아니라 세포의 성장입니다.”

얽힘을 관찰한 것은 단순한 다세포 그룹이 어떻게 진화하는지에 대한 연구원의 이해에 전환점이 되었습니다. 완전히 새로운 다세포 유기체인 눈송이 효모에는 현대 다세포 유기체를 특징짓는 정교한 발달 메커니즘이 없습니다. 그러나 단지 3,000세대의 실험실 진화 후에 효모는 발달 메커니즘으로 세포 얽힘을 유도하고 선택하는 방법을 알아냈습니다.

다른 다세포 균류에 대한 예비 조사는 그것들이 또한 고도로 얽힌 다세포체를 형성한다는 것을 보여주며, 얽힘이 다세포 생명의 이 분야에서 광범위하고 중요한 다세포 특성임을 시사합니다.

Ratcliff는 “현대 과학의 놀라운 힘을 활용하여 수천 세대에 걸쳐 초기 다세포 생물을 진화시킬 수 있는 모델 시스템을 갖게 되어 정말 기쁩니다.”라고 말했습니다. “원칙적으로 우리는 진화 세포 생물학에서 직접 선택되는 생물물리학적 특성에 이르기까지 발생하는 모든 것을 이해할 수 있습니다.”

오랫동안 인간은 우리가 먹는 옥수수에서 가축화된 개, 닭, 쇼 비둘기에 이르기까지 새로운 것을 진화시키기 위해 생물학과 협력해 왔습니다. Ratcliff에 따르면 그들의 팀이 하는 일은 그렇게 다르지 않습니다.

“단세포 유기체의 진화 규모에 손가락을 대면 어떻게 그들이 점점 더 복잡하고 통합된 다세포 유기체로 진화했는지 알아낼 수 있고 그 과정을 연구할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 MuLTEE에서 눈송이 효모를 계속 진화시키면서 이것이 다세포 발견의 긴 이야기의 첫 번째 장에 불과하기를 바랍니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230510120531.htm