În luna iulie, un articol din revista Nature mi-a atras atenția. Se vorbea acolo despre o celulă sintetică, posesoare a celui mai mic genom don natură, este capabilă să sufere mutații genetice și astfel să evolueze. Desigur, articolul, fiind unul adresat specialiștilor în genetică, nu avea un limbaj care să mă facă să îl înțeleg. Dar, odată ce mi-a fost stârnită curiozitatea, am dat iama prin Internet în căutare de explicații pe care să le înțeleg și eu, un umil inginer. Despre ce am reușit să aflu am să vă povestesc mai departe.
Genom minimal
În 25 martie 2016, în revista Science, o echipă de cercetători de la Institutul Craig Venter, anunța că au reuși să realizeze o bacterie sintetică ce avea un cod genetic format din numai 473 de gene, fiind astfel organismul cu cel mai mic genom capabil să se autoreplice.
Cercetările au început în 2010, atunci când echipa lui Craig Venter a reușit să sintetizeze o replică sintetică a genomului bacteriei Mycoplasma mycoides. Genomul artificial, format din 901 gene, era o copie apropiată a unui genom existent în natură, dar acest experiment a permis demonstrarea posibilității de a sintetiza chimic ADN-ul pe scară largă și de a-l injecta într-o celulă pentru a produce un organism viabil. Mai apoi, cercetătorii au folosit acest genom sintetic ca bază pentru a determina care gene erau esențiale sau inutile pentru viața bacteriei.
Mai întâi cercetătorii au selectat și inactivat mai genele care li s-au părut a fi fără rost, pe baza cunoștințelor despre modul în care funcționează celula, dar, din păcate, abordarea s-a dovedit a fi ineficientă. Din acest motiv echipa de cercetători a luat-o pe un alt drum și au folosit metoda „încercare și eroare”. Biologii au tăiat genomul M. mycoides în 8 segmente de dimensiuni similare, care erau asamblate mai apoi în diferite combinații, parțiale sau complete. Prin testarea viabilităţii celulei cu genomul recombinant, cercetătorii au eliminat, prin încercări succesive, genele neesențiale.
Noua bacterie purta numele JCVI-syn3.0. Dintre genele care formează genomul bacteriei JCVI-syn3.0, 41% participă la expresia lui, 18% contribuie la structura și funcțiile membranei, 17% la metabolism și 7% la conservarea informațiilor genetice. Anumite gene au putut fi clasificate prin studierea structurii lor, dar rolul lor biologic în celulă nu a putut fi identificat. Cu toate acestea, funcția anumitor alte gene este complet necunoscută. În total, 149 de gene au un rol complet necunoscut, ceea ce reprezintă aproape o treime din materialul genetic! Cu toate acestea, aceste gene sunt necesare: în lipsa lor, celula nu este viabilă.
Dar, nu cumva, această celulă cu genom ”minimal” și-a pierdut, de asemenea, capacitatea de adaptare care a dus la evoluția vieții pe planeta noastră? Această ipoteză i-a făcut pe biologi să se întrebe dacă nu cumva JCVI-syn3.0 se află pe un drum cu sens unic: prin reducerea genomului la genele esențiale, acest organism este incapabil să mai evolueze deoarece nu ar putea supraviețui modificării unei singure gene.
Evoluție
La această întrebare a dorit să răspundă o echipă de cercetători americani, care au publicat articolul care mi-a stârnit interesul în 5 iulie 2023 și care avea titlul Evolution of a minimal cell.
În articol cercetătorii arată că ”Complexitatea unui genom este reflectată de numărul de gene pe care le conține, o cantitate care variază în funcție poziția pe arborele evoluției vieții. În timp ce unele bacterii endosimbiotice au mai puțin de 200 de gene care codifică proteine, multe genomuri de plante și animale conțin mai mult de 20.000 de gene. În principiu, cel mai simplu organism este cel care posedă doar numărul minim de gene pentru a supraviețui și a se reproducere într-un mediu dat. Orice mutație într-un astfel de organism ar putea perturba letal una sau mai multe funcții celulare, cea ce pune constrângeri aspre evoluției. În plus, organismele cu genomuri minimale au mai puține gene asupra cărora selecția pozitivă să poată acționa, limitându-se astfel oportunitățile de adaptare la schimbările de mediu.” Jay T. Lennon, cercetător la Departamentul de Biologie, Universitatea Indiana, SUA și conducător al echipei de cercetători care a publicat articolul din revista Nature, explica, foarte pe scurt, că ”Fiecare genă din genomul (bacteriei sintetice JCVI-syn3B) este esențială. Ne-am putea gândi că nu există nici o marjă de manevră pentru mutații, ceea ce i-ar limita dramatic potențialul de evoluție.”
Deși biologii au reușit să identifice experimentale cerințele genetice pentru procesele celaulare de bază cum ar fi metabolismul și diviziunea celulară, a rămas foarte neclar cum vor răspunde forțelor evoluției, aceste celulele cu genom minimal. Pentru a clarifica problema cercetătorii au folosit tulpini de bacterii Mycoplasma mycoides, care, așa cum v-am spus deja, a fost bacteria sintetică ce a precedat-o pe cea cu genomul minimal, și JCVI-syn3.0B.
Ei au transferat în mod repetat părți din culturi de bacterii cu genom minimal în vase Petri ceea ce a făcut ca bacteriile să se dezvolte fără a fi spuse la constrângeri, cum ar fi competiția. Experimentul s-a desfășurat pe parcursul a 300 de zile. Astfel cercetătorii au putut constata că bacteriile JCVI-syn3B are rată a mutațiilor similară cu cea a bacteriilor Mycoplasma mycoides. Totuși exista o diferență majoră. În bacteriile M. mycoides, o mutație a fost de 30 de ori mai probabil să schimbe, în codul genetic, o nucleotidă A (Adenină) sau un T (Timină) cu o nucleotidă G (Guanină) sau C (Citozină) decât invers. (Sper că nu vă pun într-o prea mare dificultate dacă nu vă voi explica literele din care este compus ADN-ul.) În celula cu genom minimal acest tip de mutații a fost de o sută de ori mai probabil. Este posibil ca acest lucru să se întâmple deoarece unele gene înlăturate în cadrul procesului de minimizare a genomului să favorizeze acest tip de mutație.
S-a mai efectuat încă o serie de experimente. De această dată în loc să aducă un grup mic de celule, cercetătorii au crescut populații mari de celule timp de 300 de zile, de-a lungul a 2.000 de generații. Acest lucru a permis să apară competiția dintre bacterii, favorizând mutațiile benefice și apariția unor variante genetice noi, care, în cele din urmă, au ajuns în toate celulele.
Cercetătorii au căutat să măsoare capacitatea de a supraviețui și de a se reproduce (fitness-ul) bacteriilor cu genom minimal și, pentru asta, au determinat ratele lor de înmulțire. Cu cât ele erau mai mari, cu atât s-au născut mai multe bacterii fiice.
Astfel au constatat că bacteria inițială, cu genom minimal, a pierdut 53% din capacitatea de a supraviețui și a se reproduce. Cu toate acestea, până la sfârșitul acestui al doilea set de experimente, bacteriile cu genom minimal au continuat să evolueze în continuare. În timp lucrurile au devenit din ce în ce mai clare, bacteriile și-au sporit capacitatea de a supraviețui și de a se reproduce. Atunci când datele au fost comparate cu cele obținute pe culturile de bacterii sintetice M. mycoides din care au fost derivate bacteriile JCVI-syn3B, s-a constatat, cu mare surprindere, că acestea din urmă au evoluat cu 39% mai rapid.
Rezultatele obținute sunt cu adevărat surprinzătoare. Kate Adamala, cercetătoare la Universitatea din Minnesota, care nu a fost implicată în realizarea studiului pe care l-am comentat, spunea că ”Se pare că viața, chiar și viața în formele ei foarte simple, cum ar fi o celulă cu genom minimal, este mult mai robustă decât am crezut. Poți arunca cu pietre în ea și tot va supraviețui.” Vedeți dv… viața este extrem de perseverentă.
După ce am citit articolul pe care vi l-am povestit mai sus, am mai descoperit unul, care a fost publicat pe 15 septembrie 2023 în revista iScience, în care era tratat același subiect. Articolul Adaptive evolution of a minimal organism with a synthetic genome prezintă rezultatele unei echipe de cercetători de la Universitatea California și de la Institutul Craig Venter.
În articol ni se explică motivele care au condus la realizarea acestei cercetări: ”Întreaga viață, indiferent dacă este naturală sau sintetică, este supusă evoluției din cauza erorilor inevitabile în replicarea ADN-ului și a competiției dintre tulpinile inițiale și mutante cele. Evoluția adaptivă realizată în condiții de laborator reprezintă o abordare solidă, atât pentru studiul proceselor evolutive, cât și pentru optimizarea performanței tulpinilor. Prin urmare, am folosit laboratorul pentru JCVI-syn3A pentru a investiga modul în care o celulă sintetică cu genom minim evoluează și ce perspective biologice pot fi deduse din rezultatele obținute.”
Experimentele au fost realizate folosind 10 linii de culturi de bacterii JCVI-syn3A, pe parcursul a 400 de generații.
Nu voi intra acum în detalii, ci mă v oi opri asupra numai aspectelor care mi s-au părut importante. Cercetătorii au identificat mutații în genele care controlează diviziunea celulară. Ei consideră că aceasta este o tendință observată și la bacteriile naturale, care constă în dezvoltarea acelor mutații care le ajută să se înmulțească, decât în mutații care ar produce mai multe proteine.
La concluziile articolului cercetătorii împărtășesc deschis entuziasmul care i-a cuprins pe parcursul desfășurării testelor de laborator: ”Pe măsură ce bacteriile sintetice devin mai răspândite și mai ușor de produs, va deveni foarte important să înțelegem cum evoluează ele în timp. Această lucrare stabilește preliminar oportunitatea folosirii testelor de laborator pentru a răspunde întrebărilor care apar. (…) În plus, organismele cu genom minimal, cum ar fi JCVI-syn3A, oferă o perspectivă fascinantă asupra celui mai mic set de gene esențiale care pot fi adăpostite de formele vii. Testele de laborator ne pot ajuta să înțelegem mai bine istoria evoluției vieții pe Pământ.”
Încheiere
Da, este ciudat, chiar atunci când sunt eliminate toate genele neesențiale, bacteriile pot evolua în continuare. Dar cercetările despre care v-am povestit au confirmat că acest lucru se întâmplă. Asta are consecințe profunde pentru probleme din biologie care își așteaptă de multă vreme soluțiile, inclusiv pentru tratarea agenților patogeni, rafinarea ingineriei genetice și înțelegerea originii înseși vieții terestre. Am aflat că selecția naturală optimizează rapid capacitățile de supraviețuire și înmulțire chiar și în cazul celor mai simple microorganisme. Viața, așa cum o știm noi, pe Terra, își găsește mereu drumul către evoluție.
