Naukowcy przeprowadzili ewolucję "w probówce"

Choć mikroskopijne, jednokomórkowe organizmy odgrywają kluczowe dla biosfery i cywilizacji role, to na co dzień, nieuzbrojonymi oczami oglądamy różnorodne przejawy życia wielokomórkowego, składające się zwykle z miliardów komórek. Wytworzenie wielokomórkowych organizmów zajęło przyrodzie czas liczony - bagatela - nawet w miliardach lat.

Naukowcy z Georgia Institute of Technology postanowili sprawdzić, czy wielokomórkowa struktura może wyewoluować w laboratorium, jeśli stworzy się jej odpowiednie warunki. Obserwowali oni cykl życia 3 tysięcy pokoleń komórek jednego z gatunków drożdży. Jednocześnie codziennie do dalszego rozmnażania wybierali te, które rosły najszybciej i tworzyły większe skupiska. W ten sposób otrzymali strukturę 20 tys. razy większą od jej przodka z początku eksperymentu. Pierwsza komórka była niewidoczna dla ludzkiego oka, a końcowa struktura miała wielkość muszki owocowej.

"Chcemy zrozumieć sposób, w jaki proste grupy komórek ewoluują w organizmy, wykazując specjalizację, skoordynowany wzrost, nowe zachowania wielokomórkowe i cykle życiowe - to, co odróżnia mętną plamę z oczka wodnego od organizmu zdolnego do trwałej ewolucji" - mówi kierujący eksperymentem prof. William Ratcliff. "Zrozumienie tego procesu stanowi główny cel uprawiania naszej dziedziny" - podkreśla autor publikacji, która ukazała się w periodyku "Nature" (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06052-1).

Jak wyjaśniają naukowcy, zaobserwowana przez nich struktura mogłaby stanowić wstęp do dalszej ewolucji w kierunku skomplikowanej, wielokomórkowej formy życia. Nie tylko wielkość nowej struktury ma jednak znaczenie. Podczas gdy pierwotna komórka była miękka i delikatna, końcowy wytwór ewolucji, liczący pół miliona komórek, pod względem twardości i wytrzymałości przypominał drewno. W drodze wymuszonej ewolucji komórki nie tylko nabrały tendencji do łączenia się, ale też zmieniła się ich budowa. Po pierwsze nabrały podłużnego kształtu, dzięki czemu utworzona z nich struktura stała się wytrzymalsza.

Jednak największe zmiany uwidoczniły obserwacje prowadzone z pomocą mikroskopu elektronowego. "Odkryliśmy zupełnie nowy mechanizm fizyczny, który umożliwił powstającym grupom rośnięcie do bardzo, bardzo dużych rozmiarów" - opowiada jeden z badaczy, dr Ozan Bozdag. - "Tworzone przez drożdże rozgałęzienia ulegały splątaniu. Zgrupowania komórek wyewoluowały tak, że zaczęły tworzyć twór przypominający winorośl, owijając się wokół siebie i wzmacniając całą strukturę". Dzięki takiemu splątaniu struktura była 10 tys. razy wytrzymalsza od zwykłego skupiska komórek drożdży.

"Splątanie było wcześniej badane w zupełnie innych systemach, głównie w polimerach" - zwraca uwagę jeden z autorów, prof. Peter Yunker. - "Tutaj jednak obserwujemy splątanie działające w zupełnie innym mechanizmie - w czasie wzrostu komórek, a nie tylko w czasie ich ruchu".

Moment obserwacji splątania był punktem zwrotnym dla zrozumienia ewolucji prostych grup wielokomórkowych - twierdzą badacze. Rzecz w tym, że drożdże nie posiadają złożonych mechanizmów rozwojowych, które charakteryzują współczesne organizmy wielokomórkowe. Jednak po zaledwie 3 tysiącach pokoleń w warunkach laboratoryjnych, nauczyły się wykorzystywać splątanie komórek jako kluczowy mechanizm dalszego rozwoju. Podobne zachowanie badacze zauważyli już we wstępnych eksperymentach nad innymi gatunkami grzybów, co może oznaczać, że splątywanie się komórek to powszechny sposób ewolucji w kierunku złożonych organizmów.

"Jestem naprawdę podekscytowany posiadaniem modelowego systemu, w którym możemy, przez tysiące pokoleń prowadzić ewolucję prostych form życia wielokomórkowego, wykorzystując ogromną moc nowoczesnej nauki" - mówi prof. Ratcliff. - "W zasadzie możemy zrozumieć wszystko, co się w nim dzieje, od ewolucyjnej biologii komórek po cechy biofizyczne, które są bezpośrednio poddane selekcji".

Jak zwracają uwagę naukowcy, ludzie przez tysiące lat stosowali działającą powoli, kierowaną ewolucję - przez selekcję uprawianych roślin czy hodowanych zwierząt. Opisany eksperyment jest więc w zasadzie podobny. "Poprzez wpływ na ewolucję jednokomórkowych organizmów, możemy zrozumieć, w jaki sposób ewoluowały one w coraz bardziej złożone i zintegrowane formy wielokomórkowe oraz badać ten proces w miarę jego przebiegu" - mówi prof. Ratcliff. - "Mamy nadzieję, że to tylko pierwszy rozdział w długiej historii odkryć odnośnie organizmów wielokomórkowych, w czasie, gdy kontynuujemy ewolucję drożdży w projekcie MuLTEE".

Marek Matacz