雪花酵母是如何进化的更大更强

世界将变得非常不同,没有多细胞生物,带走植物,动物,真菌,和海藻,和地球开始看起来像一个潮湿,绿色版的火星。但精确的多细胞生物如何从单细胞祖先仍然知之甚少。转变发生在数亿年前,在很大程度上失去了和多细胞早期物种推向灭绝的边缘。

研究多细胞生物如何从头开始发展,佐治亚理工学院的研究人员决定进化握在自己手里。由威廉·拉特克利夫称,副教授生物科学学院和导演的在定量生物科学跨学科研究生项目,一个研究小组已经发起了第一个长期进化实验旨在发展新型多细胞生物的单细胞祖先在实验室里。

在进化3000代的实验室,研究人员看着他们的模式生物,“雪花酵母,”开始适应多细胞个体。在研究发表在自然,团队展示了雪花酵母进化到身体更强比他们的祖先和超过20000倍。这种类型的生物物理进化是一个先决条件的大型多细胞生物可以用肉眼看到。他们的研究是第一个主要的报告正在进行的多细胞长期进化实验(MuLTEE),他们希望运行了几十年。

“从概念上讲,我们想了解的是简单的细胞发展成生物组,与专业化、协调增长,涌现多细胞行为,和生命周期的东西一堆渣滓有别于有机体能够持续的进化,”·拉特克利夫称说。“理解这一过程是我们的主要目标。”

多细胞生物的长期进化实验

Ozan Bozdag研究员、前博士后研究员·拉特克利夫称集团和第一作者,单细胞开始,于2018年发起MuLTEE雪花酵母。Bozdag增长酵母摇孵化器和每天选择更快的增长和更大的群体大小。

团队选择生物大小,因为所有多细胞谱系一开始小而简单,和许多进化到更大、更健壮。增长能力大,强硬的身体被认为扮演一个角色在增加复杂性,因为它需要新的生物物理创新。然而,这个假设从未直接在实验室中进行测试。

进行了3000一代又一代的进化,他们的酵母进化形成群体超过20000倍比他们的祖先。他们从肉眼看不见的果蝇的大小,包含超过一百万细胞。个人雪花酵母进化新颖的材料特性:当他们开始低于明胶,他们进化一样坚硬木头。

新生物物理适应

在调查如何雪花酵母适应变得更大,研究人员观察到酵母细胞本身变得细长,减少细胞的密度挤进组。这个细胞伸长减慢细胞间压力的积累,通常会导致集群断裂,使组织变大。但这个事实就应该只导致小增加规模和多细胞的韧性。

发现精确的生物物理机制,允许增长宏观尺寸,研究人员需要观察酵母集群内部的细胞相互作用。普通光学显微镜无法穿透大,密集的群体,因此,研究人员使用扫描电子显微镜图像成千上万的超薄切片的酵母,使他们的内部结构。

“我们发现有一个全新的物理机制,允许组织增长非常,非常大的大小,“Bozdag说。“树枝酵母已成为纠缠——集群细胞进化vine-like行为,相互缠绕,加强整个结构。”

通过简单地选择对有机体的大小,研究人员发现如何利用纠缠的生物力学机制,最终使酵母艰难10000倍的材料。

“纠缠曾研究在完全不同的系统中,主要是在聚合物,”说彼得Yunker,副教授物理学院的和一个研究报告的合著者。“但是这里我们看到纠缠在一个完全不同的机制——细胞的增长,而不是通过他们的运动。”

观察纠缠是一个转折点在研究者的理解简单的多细胞群体的发展。作为一种全新的多细胞生物,雪花酵母缺乏复杂的发育机制,描述现代的多细胞生物。但只有3000后一代又一代的进化实验室,酵母想出如何驱动和拉拢细胞纠缠作为发展机制。

初步调查的其他多细胞真菌也表明他们形成高度纠缠多细胞体,表明纠缠是一个广泛和重要的多细胞的多细胞生物的特征在这个分支。

“我很兴奋有一个模型系统,我们可以在成千上万的代进化早期的多细胞生物,利用现代科学带来的可怕力量,”·拉特克利夫称说。“原则上,我们可以理解正在发生的一切,从细胞生物学进化到生物物理特征是直属的选择。”

很长一段时间,人类与生物进化新事物——从我们所吃的玉米驯养狗、鸡、鸽子。根据·拉特克利夫称,他们的团队所做的不是那么的不同。

“用我们的手指的单细胞生物的进化,我们能算出他们如何逐步演变成更复杂的和综合的多细胞生物,并且可以研究这一过程,”他说。“我们希望这只是第一章在一个很长的故事多细胞的发现随着我们继续发展雪花酵母MuLTEE。”

参考:Bozdag走,Zamani-Dahaj SA, TC, et al .新创宏观多细胞生物的进化。自然。2023年。doi:10.1038 / s41586 - 023 - 06052 - 1

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