探索多细胞生命在实验室中的漫长实验进化

我们肉眼可见的生命体，基本上都是多细胞生物。

如果没有多细胞生物，我们的世界看起来将大为不同。想一想，如果没有植物、动物、真菌和海藻，地球可能看起来就只是一颗水洼洼的火星而已。

多细胞生命将地球装扮地多姿多彩、生机盎然。然而，我们仍然不清楚多细胞生物究竟是如何从单细胞祖先进化而来的。

科学家推测，从单细胞向多细胞的转变，发生在大约数亿年之前，而且早期的多细胞物种大部分都灭绝了。

为了研究多细胞生命是如何从多细胞从头进化而来的，佐治亚理工学院的研究人员决定“将进化过程掌握在自己手中”。在该校的生物科学学院副教授、定量生物科学跨学科研究生项目主任 William Ratcliff 的带领下，一批研究人员启动了第一个长期进化实验，计划在实验室中从单细胞祖先开始，进化出新的多细胞生物。

经过 3000多代的实验室进化，研究人员观察到模式生物“雪花酵母”的后代开始表现出适应多细胞个体生活的特性。

近日，发表于 Nature （《自然》）杂志上的一篇论文中，Ratcliff 研究小组展示了雪花酵母是如何进化成更强壮的多细胞生命的，这种多细胞后代比其祖先“雪花酵母”大了 2万余倍的。这种类型的生物物理进化，是从单细胞生物形成肉眼可见的大型多细胞生命的先决条件。该研究是仍在进行的多细胞长期进化实验 (MuLTEE) 的第一份正式报告，而该团队预计该实验还要持续几十年。

William Ratcliff 说:“从概念上讲，我们想要知道的是，简单的单细胞群是如何进化成复杂有机体的，后者具有特化、协调生长、多细胞行为和复杂的生命周期，而这些特征是区分一堆池塘浮渣和能够持续进化的有机体的关键。了解这个过程是我们推动这个研究的一大主要目标。”

多细胞长期进化实验 （MuLTEE）

研究科学家、Ratcliff 小组的前博士后研究员、该论文的第一作者 Ozan Bozdag 于 2018年启动了 MuLTEE，他们选择从单细胞的“雪花酵母”开始。Bozdag 在培养箱中开始培养酵母，每天选择生长更快、规模更大的群体。

研究小组根据生物体的大小进行人工选择，因为所有的多细胞谱系一开始都是又小又简单的，但随着时间的推移，许多谱系会进化得更大且更健壮。因此，有人认为长得巨大而健壮的能力，在增加生物体的复杂性方面发挥了重要作用，因为这意味着新的生物物理特性的诞生。

然而，这一研究假设从未在实验室中得到直接的验证。

经过大约 3000代的进化，Bozdag 的酵母菌进化产生了比其祖先大 2万多倍的新群体。它们从肉眼看不见到果蝇大小，包含超过50万个细胞。单个雪花酵母进化出了新的材料特性:虽然它们开始比明胶弱，但它们进化得像木头一样坚固和坚韧。

新的生物物理适应 在研究雪花酵母如何适应变大的过程中，研究人员观察到酵母细胞本身变得细长，细胞自身的密度变小。细胞的伸长减缓了细胞间应力的积累（应力通常会导致细胞簇断裂），从而使细胞群变得更大。但这一特性的改变本身只会导致多细胞尺寸和多细胞韧性的小幅增加。 为了揭示允许生长到宏观肉眼可见的大小背后精确的生物物理机制，研究人员需要观察酵母细胞簇内部，以了解细胞如何在物理上进行相互作用。普通光学显微镜无法穿透大而密集的群体，因此研究人员使用扫描电子显微镜对成千上万的超薄酵母片进行成像，从而获得其内部结构。 研究团队发现有一种全新的物理机制，让这些群体得以发展到如此庞大的规模。酵母细胞的分支紧密纠缠在一起，表现出集群细胞进化出的藤蔓状行为。它们相互缠绕，加强了整个结构。 通过简单地选择有机体的大小，研究人员发现了如何利用缠结的生物力学机制，最终使酵母的硬度增加了大约 1万倍。 “以前已有研究人员在不同的体系中研究过细胞纠缠，但主要是在完全不同的聚合物体系中，”物理学院副教授、论文的合著者彼得·尤克尔 (Peter Yunker)说。“但在这个工作中，我们通过一种完全不同的机制看到了纠缠效应，即细胞的生长，而不仅仅是通过它们的运动。” 观察到这种缠结是研究人员理解简单的多细胞群体是如何进化的一个转折点。雪花酵母作为一种全新的多细胞生物，缺乏现代多细胞生物所特有的复杂发育机制。但经过 3000代的实验室进化，酵母发现了如何驱动和选择细胞缠结作为一种发育机制。 对其他多细胞真菌的初步研究表明，它们也可以形成高度纠缠的多细胞体，这表明纠缠是多细胞生命分支中广泛而重要的多细胞特征。 很长一段时期以来，人们一直在利用生物学机制“进化”出新的生物——从我们吃的玉米，到家养的狗、鸡和鸽子。根据该研究院团队说法，其所做的事情实际上并没有太大的不同。 通讯作者 Ratcliff 认为:“通过了解单细胞生物进化的规模，我们可以弄清楚它们是如何逐渐进化成更复杂、更整合的多细胞生物的，并可以研究这一过程。我们希望这只是多细胞发现的漫长故事的第一章，因为我们还将继续 MuLTEE 研究计划，以推动雪花酵母的进化。”

参考文献：Citation: Bozdag GO, Zamani-Dahaj SA, Day TC, Kahn PC, Burnetti AJ, Lac DT, Tong K, Conlin PL, Balwani AH, Dyer EL, Yunker PJ. De novo evolution of macroscopic multicellularity. Nature, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06052-1https://www.eurekalert.org/news-releases/988844

来源：BioMedAdv 2023-05-15