Мир выглядел бы совсем по-другому без многоклеточных организмов — уберите растения, животных, грибы и морские водоросли, и Земля станет похожа на более влажную и зеленую версию Марса. Но как именно многоклеточные организмы произошли от одноклеточных предков, остается недостаточно изученным. Переход произошел сотни миллионов лет назад, и ранние многоклеточные виды в значительной степени утрачены из-за вымирания.
Чтобы исследовать, как многоклеточная жизнь развивается с нуля, исследователи из Технологического института Джорджии решили взять эволюцию в свои руки. Команда исследователей под руководством Уильяма Рэтклиффа, адъюнкт-профессора Школы биологических наук и директора междисциплинарной программы для выпускников по количественным биологическим наукам, инициировала первый долгосрочный эволюционный эксперимент, направленный на выведение новых видов многоклеточных организмов от одноклеточных предков в лаборатории.
В исследовании, опубликованном в “Nature“, команда показывает, как дрожжи snowflake эволюционировали, став физически сильнее и более чем в 20 000 раз крупнее своего предка.
Этот тип биофизической эволюции является предпосылкой для вида крупной многоклеточной жизни, которую можно увидеть невооруженным глазом. Их исследование является первым крупным отчетом о продолжающемся эксперименте по долгосрочной эволюции многоклеточности (MuLTEE), который команда надеется проводить в течение десятилетий.
“Концептуально, мы хотим понять, как простые группы клеток эволюционируют в организмы со специализацией, скоординированным ростом, возникающим многоклеточным поведением и жизненными циклами — тем, что отличает кучу прудовой накипи от организма, способного к устойчивой эволюции”, – сказал Рэтклифф. “Понимание этого процесса является главной целью нашей области”.
Озан Боздаг, ученый-исследователь и бывший постдокторант в группе Рэтклиффа и первый автор статьи, инициировал MuLTEE в 2018 году, начав с одноклеточных дрожжей snowflake. Боздаг выращивал дрожжи во встряхивающих инкубаторах и каждый день отбирал как для более быстрого роста, так и для увеличения размера группы.
Команда выбрала размер организма, потому что все многоклеточные линии начинались маленькими и простыми, и многие эволюционировали, чтобы со временем стать крупнее и выносливее. Считается, что способность выращивать большие, прочные тела играет определенную роль в увеличении сложности, поскольку это требует новых биофизических инноваций. Однако эта гипотеза никогда не была непосредственно проверена в лаборатории.
На протяжении примерно 3000 поколений эволюции их дрожжи эволюционировали, сформировав группы, которые были более чем в 20 000 раз крупнее своих предков. Из невидимых невооруженным глазом они превратились в плодовых мушек размером более полумиллиона клеток. Отдельные дрожжи snowflake развили новые свойства материала: хотя вначале они были слабее желатина, в процессе эволюции они стали такими же прочными, как древесина.
Исследуя, как дрожжи snowflake адаптировались к росту, исследователи заметили, что их клетки стали удлиненными. Это удлинение клеток замедлило накопление межклеточной конкуренции, что приводит к разрушению кластеров, позволяя группам увеличиваться. Но сам по себе этот факт должен был привести лишь к небольшому увеличению размеров и выносливости многоклеточных.
Чтобы раскрыть точные биофизические механизмы, которые позволили вырасти до макроскопических размеров, исследователям нужно было заглянуть внутрь дрожжевых кластеров, чтобы увидеть, как клетки взаимодействуют физически. Обычные световые микроскопы были неспособны проникнуть сквозь большие, плотно упакованные группы, поэтому исследователи использовали сканирующий электронный микроскоп.
“Мы обнаружили, что существует совершенно новый физический механизм, который позволил группам вырасти до такого очень, очень большого размера”, – сказал Боздаг. “Ветви дрожжей переплелись — кластерные клетки развили поведение, подобное виноградной лозе, обвиваясь друг вокруг друга и укрепляя всю структуру”.
Простым выбором по размеру организма исследователи выяснили, как задействовать биомеханический механизм запутывания, что в итоге сделало дрожжи примерно в 10 000 раз прочнее как материал.
“Запутанность ранее изучалась в совершенно других системах, в основном в полимерах”, – сказал Питер Юнкер, адъюнкт-профессор Школы физики и соавтор статьи. “Но здесь мы наблюдаем запутанность благодаря совершенно иному механизму — росту клеток, а не просто их движению”.
Наблюдение за переплетением стало поворотным моментом в понимании исследователями того, как эволюционируют простые многоклеточные группы. Будучи совершенно новым многоклеточным организмом, дрожжам snowflake не хватает сложных механизмов развития, которые характеризуют современные многоклеточные организмы. Но всего после 3000 поколений лабораторной эволюции дрожжи выяснили, как управлять клеточным переплетением и использовать его в качестве механизма развития.
Предварительные исследования других многоклеточных грибов показывают, что они также образуют сильно запутанные многоклеточные тела, предполагая, что запутанность является широко распространенной и важной многоклеточной чертой в этой ветви многоклеточной жизни.
Долгое время люди работали с биологией над созданием новых вещей — от кукурузы, которую мы едим, до одомашненных собак, кур и выставочных голубей. По словам Рэтклифф, то, что делает их команда, не так уж сильно отличается.
“Прикинув масштаб эволюции одноклеточного организма, мы можем выяснить, как они эволюционировали в прогрессивно более сложные и интегрированные многоклеточные организмы, и можем изучать этот процесс на этом пути”, – сказал он. “Мы надеемся, что это только первая глава в длинной истории открытия многоклеточных, поскольку мы продолжаем разрабатывать дрожжи snowflake во множестве”.
Дополнительная информация: Озан Боздаг, Новая эволюция макроскопической многоклеточности, Природа (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06052-1 .www.nature.com/articles/s41586-023-06052-1
Информация о журнале: Nature