Микробы — это первопроходцы нашей планеты. Они эволюционировали на протяжении тысячелетий из первичных форм жизни древней Земли, став отправной точкой для развития жизни в том виде, в каком мы её знаем. Вопрос в том: каким образом?
Когда-то чисто экзистенциальный вопрос о том, как зародилась жизнь, перешел в сферу экспериментов. В основе этих исследований лежит синтетическая биология — применение стандартизированных инженерных методов для создания организмов или биологических систем с новыми или специализированными функциями. Учёные могут вставлять синтезированную в лаборатории ДНК в геном организма, наделяя его новыми способностями (например, способностью производить лекарства или биотопливо). Встроенная ДНК может кодировать новый ген или ген, обнаруженный в другом организме; исследователи даже синтезировали с нуля целые геномы микроорганизмов. Сегодня они используют синтетическую биологию для изучения древних микробиологических процессов и явлений. Их открытия могут революционно изменить наше представление о самых ранних обитателях Земли — и о тех, кто существует сегодня.
По словам директора астробиологического исследовательского консорциума NASA MUSE Бетюль Качар, жизнь в том виде, в каком мы её знаем, обладает тремя ключевыми характеристиками: геномом, метаболической сетью и межкомпонентной мембранной организацией. Эти характеристики находятся под влиянием окружающей среды, в которой они взаимодействуют и развиваются, и, в свою очередь, оказывают на неё влияние. Когда речь заходит о происхождении жизни примерно 4 миллиарда лет назад, этот момент приобретает особую актуальность. «Жизнь эволюционирует вместе с планетой», — говорит Качар, подчеркивая, что эволюция древней жизни определялась геохимическим и биохимическим состоянием планеты, одновременно изменяя его (например, эволюция кислородного фотосинтеза превратила Землю из бескислородной среды в кислородную). Если мы сможем понять метаболические процессы древних микробов, то сможем лучше понять раннюю планету, и наоборот.
Качар пытается прояснить и поместить в контекст эти связи. Её лаборатория использует инструменты синтетической биологии для реконструкции древних микробных генов, полученных из современных данных о последовательностях, а также на основе статистического и эволюционного моделирования, а впоследствии вставляет эту ДНК в живые микробы. «[Затем мы] сравниваем и сопоставляем фенотипические результаты наших экспериментов с данными, сохранившимися в геологических отложениях», — рассказывает она.
Возьмём в качестве примера азотфиксацию — процесс, при котором микроорганизмы преобразуют атмосферный азот в биологически доступные соединения, такие как аммиак. Данные, полученные на основе анализа образцов древних пород, свидетельствуют о том, что азотфиксация возникла примерно 3 миллиарда лет назад. В основе этого метаболического процесса лежит фермент нитрогеназа, а в основе многих нитрогеназ — металлический кофактор молибден (Mo). В ходе недавнего исследования группа Качар воссоздала библиотеку синтетических генов-предков нитрогеназ, охватывающую более 2 миллиардов лет эволюционной истории, и ввела их в бактерию Azotobacter vinelandii — модель азотфиксации. Затем ученые измерили клеточное фракционирование изотопов азота (ключевой этап азотного обмена, при котором два атома азота, составляющие атмосферный азот, разделяются).
Примечательно, что значения фракционирования находились в пределах диапазона, характерного для современных микроорганизмов. Хотя невозможно сделать вывод о том, что реконструированные ферменты вели себя в A. vinelandii точно так же, как и в своих предковых хозяевах, результаты действительно указывают на сильную консервативность изотопных сигнатур азота, продуцируемых нитрогеназами на протяжении времени. В сочетании с данными, полученными из древних горных пород, эти результаты также указывают на связь между ранними свидетельствами о изотопах азота и биологической активностью нитрогеназ.
Качар подчёркивает, что последние данные о наличии молибдензависимых нитрогеназ на столь раннем этапе вызывают удивление, учитывая геохимические свидетельства того, что молибден на молодой Земле был крайне ограничен. Можно было бы ожидать, что нитрогеназа вначале использовала другие, более распространённые металлы (например, железо), а молибден стал входить в её состав только после того, как его содержание увеличилось в более поздние эпохи. И тем не менее, «сама по себе окружающая среда не обязательно определяла, на чем основывалась деятельность этого фермента». Вместо этого на эволюцию ключевых метаболических систем могли повлиять факторы, выходящие за рамки распределения ресурсов. Это исследование ставит новые вопросы об эволюции микроорганизмов и ферментов на которые синтетическая биология может помочь найти ответы.
Реконструкция древнего микробиологического метаболизма в конечном итоге может прояснить взаимодействие между жизнью и Землей в самые ранние периоды их существования, уточнив наше понимание эволюционных процессов, которые привели нас к тому, где мы находимся сегодня. «Никто не утверждает, что мы можем [точно] воссоздать раннюю жизнь», — отмечает Качар, — «но это дает нам отличную отправную точку для изучения того, как, возможно, функционировали древние биологические системы».
Способность синтетической биологии приоткрыть завесу над происхождением жизни распространяется и на другие фундаментальные вопросы, в том числе такие сложные, как «как возникла многоклеточность?» Многоклеточность является отличительной чертой жизни, но вопрос о её происхождении до сих пор остаётся открытым. «Используя синтетическую биологию, я полагаю, что мы находимся на пороге создания общей теории многоклеточности, которая не только объяснит, как она могла возникнуть, но [также] раскроет процессы, динамику и законы, лежащие в основе этого явления», — полагает Уильям Рэтклифф, директор Междисциплинарной программы исследований в Технологическом институте Джорджии.
Многоклеточность эволюционировала более 50 раз в рамках «Древа жизни». Путь от одноклеточности к многоклеточности проходил через три стадии. Во-первых, клетки должны сцепляться или агрегировать, образуя многоклеточные группы (микробы делают это постоянно). Многоклеточные особи возникают, когда естественный отбор начинает действовать на уровне группы, а не на уровне отдельных клеток. На заключительном этапе многоклеточные особи могут эволюционировать в организмы, в которых клетки функционально интегрированы и специализированы. «Адаптации на групповом уровне в конечном итоге преобразуют группы в функционально взаимозависимые сообщества, в которых бывшие отдельными клетки больше не могут функционировать самостоятельно», — объясняет Рэтклифф.
Изучение того, как происходят эти преобразования, является основным направлением работы лаборатории Рэтклиффа. На протяжении последних 8 лет его исследовательская группа изучает возникновение многоклеточности в режиме реального времени в рамках эксперимента «Мультиклеточность: исследование долгосрочной эволюции» (MuLTEE). В экспериментах используются «снежинки» — штамм дрожжей Saccharomyces cerevisiae с единственной мутацией, благодаря которой дочерние клетки остаются соединенными после деления, образуя разветвленные скопления. Каждый день команда Рэтклиффа выделяет изоляты, которые быстро оседают в жидкой среде, тем самым отбирая крупные многоклеточные скопления. За более чем 10 000 поколений эксперимент MuLTEE позволил получить представление об эволюционных стадиях развития многоклеточности. Например, дрожжи эволюционировали от отдельных хрупких клеток до крупных групп, видимых невооруженным глазом, которые по прочности сравнимы с деревом. Имеются даже некоторые свидетельства клеточной дифференцировки и специализации.
Источник: William Ratcliff
Рэтклифф подчеркивает, что дополнительные эксперименты по синтезу на примере дрожжей «снежинка» в других системах могут прояснить еще не до конца понятные аспекты многоклеточности — такие как генетические основы клеточного разделения функций или влияние факторов окружающей среды (например, уровня кислорода) на зарождение многоклеточности и размер организма. Опираясь на данные своей лаборатории и других исследователей, Рэтклифф выдвигает гипотезу, что переход от одноклеточности к многоклеточности, возможно, не так сложен по своей сути, как мы когда-то полагали. То есть способность проходить эволюционные стадии развития многоклеточности может быть общей чертой жизни; а произойдет ли этот переход и как именно — зависит от давления и особенностей окружающей среды, в которой развивается организм. «В любой линии, совершающей переход к многоклеточности, нет ничего особенного. Каждая линия обладает всем необходимым для этого. Такова гипотеза», — сказал он. «Мы можем проверить это с помощью инструментов синтетической биологии и изучения Древа жизни».
Исследуя вопросы, связанные с ранней микробиологической жизнью, ученые одновременно обнаруживают, насколько мало известно об организмах, существующих сегодня. Вмешательство в систему или ее модификация может раскрыть аспекты биологии, о которых ученые даже не подозревали, а также заложить основу для биотехнологических инноваций. «Есть еще некоторые фундаментальные аспекты функционирования жизни, которые мы просто не понимаем, и именно в этом, на мой взгляд, синтетическая биология обладает огромным потенциалом, помогая нам разобраться в некоторых из них», — отметил специалист по растительной и микробной биологии Джеффри Гралник.
В качестве примера он сослался на работу своей собственной лаборатории. В одном из исследований команда задалась вопросом, можно ли преобразовать медленно растущую железоокисляющую бактерию Mariprofundus ferrooxydans (хемолитоавтотроф) в организм, использующий сахара для метаболизма (гетеротроф), подобно Escherichia coli. Это было бы полезно с экспериментальной точки зрения, поскольку, в отличие от E. coli, M. ferroxydans может расти только одним способом и, как правило, образует низкую плотность клеток. Лаборатория Гралника встроила в геном M. ferroxydans гены, обеспечивающие утилизацию ксилозы и глюкозы, и оценила рост бактерии. Хотя модифицированные бактерии и обрели способность перерабатывать сахара, они по-прежнему оставались зависимыми от своего естественного энергетического обмена, основанного на железе. По какой-то причине бактерии не могли отказаться от него. «[Это] в некотором роде перевернуло с ног на голову наши ожидания», — подчеркнул Гралник. «Это говорит о том, что мы не понимаем [этот] метаболизм достаточно хорошо, чтобы суметь предсказать такое».
Расширение наших знаний о биологии не отделено от исследований древней жизни, а служит им. Более глубокое понимание метаболических зависимостей и процессов современных микробов дает больше нитей, за которые можно потянуть при изучении истоков жизни. Мораль этой истории заключается в том, что для понимания жизни мы должны погрузиться в прошлое — а для понимания прошлого полезно глубоко изучить современную жизнь. Синтетическая биология может преодолеть этот разрыв, а технологические достижения постоянно расширяют границы наших открытий. В недавней предварительной публикации сообщалось о разработке клеточноподобной системы, содержащей 36 ферментов, геном длиной 90 000 пар оснований и липидную мембрану. Эта система, получившая название SpudCell, способна расти, реплицировать свой геном и делиться. Таким образом, впервые была создана клеточноподобная структура, полностью построенная из неживых компонентов. «Благодаря синтетической биологии у нас сейчас есть невероятный набор инструментов, — говорит Качар. — Так почему бы не использовать его для изучения ранней микробиологической жизни?»
