Świat wyglądałby zupełnie inaczej bez organizmów wielokomórkowych – po usunięciu roślin, zwierząt, grzybów i wodorostów Ziemia zaczyna wyglądać jak bardziej wilgotna, bardziej zielona wersja Marsa. Ale dokładnie to, w jaki sposób organizmy wielokomórkowe wyewoluowały z jednokomórkowych przodków, pozostaje słabo poznane. Przejście nastąpiło setki milionów lat temu, a wczesne gatunki wielokomórkowe są w dużej mierze utracone z powodu wyginięcia.
Aby zbadać, w jaki sposób życie wielokomórkowe ewoluuje od podstaw, naukowcy z Georgia Institute of Technology postanowili wziąć ewolucję w swoje ręce. Kierowany przez Williama Ratcliffa, profesora nadzwyczajnego w Szkole Nauk Biologicznych i dyrektora Interdyscyplinarnego Programu Absolwentów Nauk Biologicznych, zespół naukowców zainicjował pierwszy długoterminowy eksperyment ewolucyjny mający na celu wyewoluowanie nowych rodzajów organizmów wielokomórkowych z jednokomórkowych przodków w laboratorium.
Przez ponad 3000 pokoleń ewolucji laboratoryjnej naukowcy obserwowali, jak ich organizm modelowy, „drożdże płatków śniegu”, zaczął adaptować się jako osobniki wielokomórkowe. W badaniach opublikowanych w Nature zespół pokazuje, w jaki sposób drożdże płatków śniegu ewoluowały, by być fizycznie silniejszymi i ponad 20 000 razy większymi niż ich przodkowie. Ten rodzaj ewolucji biofizycznej jest warunkiem wstępnym dla rodzaju dużego wielokomórkowego życia, które można zobaczyć gołym okiem. Ich badanie jest pierwszym poważnym raportem na temat trwającego Eksperymentu Wielokomórkowej Długoterminowej Ewolucji (MuLTEE), który zespół ma nadzieję prowadzić przez dziesięciolecia.
„Pod względem koncepcyjnym chcemy zrozumieć, jak proste grupy komórek ewoluują w organizmy, ze specjalizacją, skoordynowanym wzrostem, wyłaniającymi się zachowaniami wielokomórkowymi i cyklami życiowymi – tym, co odróżnia kupę szumowiny stawowej od organizmu zdolnego do trwałego ewolucji” – powiedział Ratcliff. „Zrozumienie tego procesu jest głównym celem naszej dziedziny”.
Długoterminowy eksperyment ewolucji wielokomórkowości
Ozan Bozdag, naukowiec i były badacz ze stopniem doktora w grupie Ratcliffa i pierwszy autor artykułu, zainicjował MuLTEE w 2018 roku, zaczynając od jednokomórkowych drożdży płatków śniegu. Bozdag hodował drożdże w inkubatorach z wytrząsaniem i każdego dnia selekcjonował zarówno pod kątem szybszego wzrostu, jak i większej liczebności grupy.
Zespół wybrał wielkość organizmu, ponieważ wszystkie wielokomórkowe linie na początku były małe i proste, a wiele z nich z czasem ewoluowało, by stać się większymi i bardziej wytrzymałymi. Uważa się, że zdolność do wzrostu dużych, twardych ciał odgrywa rolę w zwiększaniu złożoności, ponieważ wymaga nowych innowacji biofizycznych. Jednak ta hipoteza nigdy nie została bezpośrednio przetestowana w laboratorium.
W ciągu około 3000 pokoleń ewolucji ich drożdże ewoluowały, tworząc grupy ponad 20 000 razy większe niż ich przodkowie. Z niewidocznych gołym okiem osiągnęły rozmiary muszek owocowych, zawierające ponad pół miliona komórek. Pojedyncze drożdże płatków śniegu wyewoluowały nowe właściwości materiałowe: chociaż początkowo były słabsze niż żelatyna, ewoluowały, by być tak mocne i twarde jak drewno.
Nowe adaptacje biofizyczne
Badając, w jaki sposób płatki śniegu przystosowały się do wzrostu, naukowcy zaobserwowali, że same komórki drożdży wydłużyły się, zmniejszając gęstość komórek upakowanych w grupie. To wydłużenie komórek spowolniło akumulację naprężeń między komórkami, które normalnie powodowałyby pękanie klastrów, umożliwiając powiększanie się grup. Ale sam ten fakt powinien spowodować jedynie niewielki wzrost wielkości i wytrzymałości wielokomórkowej.
Aby odkryć dokładne mechanizmy biofizyczne, które umożliwiły wzrost do rozmiarów makroskopowych, naukowcy musieli zajrzeć do klastrów drożdży, aby zobaczyć, jak komórki wchodzą w interakcje fizyczne. Normalne mikroskopy świetlne nie były w stanie przeniknąć dużych, gęsto upakowanych grup, więc naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop elektronowy do zobrazowania tysięcy ultracienkich plasterków drożdży, co nadało im ich wewnętrzną strukturę.
„Odkryliśmy, że istnieje zupełnie nowy mechanizm fizyczny, który pozwolił grupom urosnąć do tak bardzo, bardzo dużych rozmiarów” – powiedział Bozdag. „Gałązki drożdży splątały się – komórki skupiska wyewoluowały zachowanie podobne do winorośli, owijając się wokół siebie i wzmacniając całą strukturę”.
Po prostu wybierając wielkość organizmu, naukowcy odkryli, jak wykorzystać biomechaniczny mechanizm splątania, co ostatecznie uczyniło drożdże około 10 000 razy twardszymi jako materiał.
“Splątanie było wcześniej badane w zupełnie innych systemach, głównie w polimerach” – powiedział Peter Yunker, profesor nadzwyczajny w Szkole Fizyki i współautor artykułu. „Ale tutaj widzimy splątanie poprzez zupełnie inny mechanizm – wzrost komórek, a nie tylko ich ruch”.
Obserwacja splątania była punktem zwrotnym w zrozumieniu przez naukowców ewolucji prostych grup wielokomórkowych. Jako zupełnie nowy organizm wielokomórkowy, drożdże płatków śniegu nie mają wyrafinowanych mechanizmów rozwojowych, które charakteryzują współczesne organizmy wielokomórkowe. Ale po zaledwie 3000 pokoleń ewolucji laboratoryjnej drożdże zorientowały się, jak kierować i kooptować splątanie komórkowe jako mechanizm rozwojowy.
Wstępne badania innych grzybów wielokomórkowych pokazują, że tworzą one również wysoce splątane ciała wielokomórkowe, co sugeruje, że splątanie jest szeroko rozpowszechnioną i ważną cechą wielokomórkową w tej gałęzi życia wielokomórkowego.
„Jestem naprawdę podekscytowany, że mam system modelowy, w którym możemy ewoluować wczesne życie wielokomórkowe przez tysiące pokoleń, wykorzystując niesamowitą moc współczesnej nauki” – powiedział Ratcliff. „W zasadzie możemy zrozumieć wszystko, co się dzieje, od ewolucyjnej biologii komórki po cechy biofizyczne, które podlegają bezpośredniej selekcji”.
Przez długi czas ludzie pracowali z biologią, aby wyewoluować nowe rzeczy – od kukurydzy, którą jemy, po udomowione psy, kurczaki i gołębie wystawowe. Według Ratcliffa to, co robi ich zespół, nie jest tak różne.
„Kładąc palec na skali ewolucji organizmu jednokomórkowego, możemy dowiedzieć się, w jaki sposób ewoluowały one w coraz bardziej złożone i zintegrowane organizmy wielokomórkowe, i możemy badać ten proces po drodze” – powiedział. „Mamy nadzieję, że to tylko pierwszy rozdział długiej historii odkryć wielokomórkowych, ponieważ nadal rozwijamy płatki śniegu w MuLTEE”.