人間の目には、地球上の生命の支配的な形態は多細胞生物です。これらの肉、セルロース、またはキチンの大聖堂は、通常、洗練された無限に繰り返される開発プログラムに従って形成されます。以前は存在しなかったゾウまたはセコイアです。
生命の歴史の中で少なくとも 20 回、おそらくその数倍の頻度で、単細胞生物が多細胞性へと飛躍し、進化して先祖よりも大きな形態をとってきました。それらの例のほんの一握りでは、多細胞性が過剰になり、植物、動物、菌類、およびある種の藻類として知られる精巧な生物を生み出しています.これらの生命体の細胞は、心筋の細胞や血流の細胞、小麦の茎を支えている細胞、光合成を行う細胞など、さまざまな機能を持つ組織を形成しています。一部の細胞は遺伝子を次世代に渡します。卵子や精子などの生殖細胞系細胞です。残りのすべては、生殖細胞系がそれ自体を増殖するためにサポートする体細胞です。
しかし、「食べて、分けて、繰り返す」というマントラを持つ単細胞生物の非常に成功した単純さと比較すると、多細胞生物は複雑で危険なコミットメントに満ちているように見えます.地球上で何百万年も前に、どのような状況で生物がこの分岐点にたどり着いたかについての疑問は、一度ではなく何度も、ゲーム理論家や古生物学者から実験室で単細胞生物の世話をしている生物学者に至るまで、科学者の興味をそそります.
現在、ジョージア工科大学の生物学者であるウィリアム・ラトクリフと彼の同僚は、2年近くの進化の過程で、単細胞酵母が巨大なサイズの多細胞クラスターに成長するように誘導したことを報告しています。肉眼。調査結果は、そのような移行がどのように起こり得るかを示しており、これらの構造が分化を発達させるかどうか、つまり細胞が一緒に生きた生命のドラマで特殊な役割を果たし始めるかどうかを調べるための興味深い将来の実験を示唆しています.
スノーフレークになるためのインセンティブ
ほぼ 10 年前、多細胞性を研究する科学者は、ミネソタ大学の Ratcliff、Michael Travisano、および彼らの同僚によって行われた実験によって話題になりました。酵母の協調と共生に関する博士論文を書いていた Ratcliff は、Travisano と多細胞性について話し合っていました。気まぐれで、彼らは培養液で成長している酵母のチューブを取り、それらを振って、最も早く底に沈んだものを選択して、新しい培養液を播種し、60 日間何度も繰り返しました.
この簡単な手順は、米国科学アカデミー紀要で後に説明されています。 、急速に小さな塊の進化を引き起こしました — 互いに付着したままになるように進化した酵母は、科学者によって加えられた選択圧力をよりよく生き残ります.研究者はその後、転写因子である ACE2 の単一の突然変異のために、細胞が分裂した後にバラバラにならず、細胞が重くなり、より速く沈むことができると判断しました.
細胞のこの変化は、迅速かつ繰り返し現れました。 30回未満の転送で、チューブの1つがこの凝集を示しました。 60回の転送以内に、すべてのチューブがそれを行っていました.研究者たちは、顕微鏡で見た分岐形状にちなんで、細胞をスノーフレーク酵母と名付けました。
スノーフレーク イーストはサイド プロジェクトとして開始されましたが、有望な方法のように見えました。 「あれから 10 年間、それが私の人生でした」と Ratcliff は言いました。この研究は、スウェーデンのウメオ大学の数理生物学者であるエリック リビーや、ラトクリフが現在教授であるジョージア工科大学の研究科学者であるマシュー ヘロンなどの共同研究者を彼にもたらしました。彼は、多細胞生命がどのように生まれたかを理解しようとする研究者のさまざまなエコシステムに参加していました.
細胞の巨大な構造を持つ私たちにとって、多細胞性が無条件の利点であることを当然のことと考えるのは簡単です。しかし、化石からわかる限り、生命は最初の 10 億年間、快活に単細胞だったようです。そして今日でも、地球上には多細胞生物よりもはるかに多くの単細胞生物が存在します。一緒にいることには重大な欠点があります。細胞の運命は周囲の細胞の運命と結びついてしまうため、細胞が死ぬと、細胞も死ぬ可能性があります。そして、細胞が多細胞集団の一部になると、最終的に生殖細胞ではなく体細胞になる可能性があります。つまり、生殖によって遺伝子を直接伝える機会を犠牲にすることになります.
競争の問題もあります。オックスフォード大学の理論家であるガイ・クーパーは、「同じ種の細胞は資源をめぐって競合する傾向があります。 「それらをたくさんくっつけると、資源をめぐる競争はさらに激しくなります。これは大きなコストです…多細胞性が進化するためには、反対側に同等以上の利益が必要です。」
誘因の 1 つは、細胞の大きなグループが捕食者にとって食べにくくなる可能性があることです。 2015 年にアムステルダム VU 大学の Roberta Fisher と 2019 年にオックスフォード大学の Stefania Kapsetaki による独立した研究は、藻類とバクテリアがグループを形成することによって微視的な捕食者に反応することを示しました。 Herron と彼の同僚は 2019 年に、藻類のこの適応多細胞性が、埋もれていた祖先の形質の再出現に依存していないことを示しました。それは完全に独自の進化した適応でした.
多細胞性に対するもう 1 つの考えられるインセンティブは、生物が特定の条件下でグループとしてよりよく移動したり、よりよく採餌したりすることです。その場合、Cooper 氏は次のように説明しています。
一部の藻類は、環境が変化すると、多細胞群と単一細胞を切り替えることができます。動物に最も近い単細胞の近縁種である襟鞭毛虫も、奇妙に多細胞に見える行動を取ることを選択できます。パスツール研究所の進化生物学者である Thibaut Brunet は、キュラソー島のワークショップで彼と同僚が襟鞭毛虫をチェックするために海岸近くで水を集め、夜遅く、夕食後、サンプルに何かが動いていることに気づいたことを思い出します。それは結合してカップの形をした新種の襟鞭毛虫で、それが裏返しになって動いていた。 「これがただ変形するのを見るのは魅力的でした。 …この複雑な集団的行動をとっていたので、ほとんど動物のようになりました」とブルネットは言いました。 「微生物の世界から動物の世界への移行をほとんど感じることができました。」
しかし、ほとんどの多細胞生物の細胞にとって、選択の余地はありません。それは、多細胞性か死かです。 「どういうわけか一方通行になります」とクーパーは言いました。 「そして、分業はその移行において大きな役割を果たすと予測されています。」一部の細胞が新しい役割を果たし始めると、自身の生殖の成功をあきらめて隣人の生殖の成功を増やすと、計算モデルは、グループでの生活が生き残るチャンスに耐えるライフスタイルに効率的な利点を提供する必要があることを示唆しています.成功に必要なパラメーターは過去に満たされている必要がありますが、正確にはどのように満たされていますか?
ラトクリフが長期にわたる実験的進化研究を開始したとき、彼は無数の可能なシナリオに対する理論家の関心と、限界に追い込まれたときに実際の生きている生物がどうなるかについての生物学者の好奇心を組み合わせました。彼はまた、30 年以上前に Richard Lenski によって開始された、最も有名な進化実験の 1 つである 12E についても考えていました。大腸菌 Lenski の研究室のコロニーは 1988 年から維持されています。コロニーは何年にもわたって驚くべき方法で変形してきました。たとえば、2003 年に、Lenski と彼の同僚は、ある個体群がクエン酸を消化する能力を進化させたことを発見しました。大腸菌
Ratcliff は、スノーフレーク イーストがそれほど長く成長するとどうなるのだろうと考えました。最終的に大きなサイズになるのでしょうか?それは差別化につながりますか?
スノーフレーク酵母は容易に多細胞性を達成しましたが、ラトクリフが何を試みても、その塊は微視的なままでした.何年もの間、彼は進歩を遂げることができませんでした。彼は、ジョージア工科大学の研究科学者で、ラトクリフの研究室のポスドクであったオザン・ボズダーが壁を突破したと信じています.
酸素なしで大きく生きる
重要な成分は酸素であることが判明しました。というか、不足しています。
酸素は生物にとって非常に役立ちます。細胞はそれを使用して糖を分解し、大量のエネルギーを生み出すことができるからです。酸素が存在しない場合、細胞は代わりに糖を発酵させなければならず、使用可能な収量が少なくなります.ラトクリフはずっと酸素で酵母を育てていた。 Bozdağ はそれなしでいくつかの文化を育てることを提案しました.
Bozdağ は、雪片酵母の 3 つの異なるグループで選択実験を開始しました。そのうちの 2 つは酸素を使用でき、もう 1 つは突然変異のために酸素を使用できませんでした。各グループは、遺伝的に同一の 5 つのチューブで構成され、ボズダーはそれらを振とう機に取り付けました。 24 時間、毎分 225 回転で酵母を振とうしました。 1 日 1 回、3 分間カウンターに置いた後、チューブの底の内容物を使用して新しい培養を開始しました。その後、シェーカーに戻りました。 2020 年から 2021 年初頭にかけて、毎日、COVID-19 パンデミックのラボ閉鎖中も、ボズダーは大学から特別な免除を受けてそこにいて、酵母の選択を行っていました。
最初の 100 日間で、15 本のチューブすべてのクラスターのサイズが 2 倍になりました。その後、酸素を使用しなかった 2 つのチューブのサイズが再び上昇し始めた 250 日目頃まで、ほとんど横ばい状態でした。 350 日頃、ボズダーはチューブの 1 つに何かが入っていることに気付きました。彼が肉眼で見ることができるクラスターがありました。 「進化生物学者として、あなたはそれを偶然の出来事だと考えています。どういうわけか彼らは大きくなりましたが、長期的には小さなものに負けるでしょう - それが私の考えです」と彼は言いました. 「その時、ウィルとはこのことについてあまり話しませんでした。」
しかし、クラスターは 2 番目のチューブに現れました。そして 400 日頃、酸素を使用できなかったミュータントの他の 3 つのチューブが始動し、すぐに 5 つのチューブすべてが巨大な構造を持ち、初期サイズの約 20,000 倍に達しました。 Bozdağ は携帯電話のカメラでクラスターの写真を撮り始めました。顕微鏡はもう必要ありません。
酸素への依存が酵母クラスターの拡大を制限しているように見えたのはなぜですか?酸素は一定の速度で細胞内を拡散するため、クラスターが大きくなるにつれて、酸素が内部の細胞に到達したとしてもゆっくりとしか到達できなくなります。この実験では、より大きなクラスターは生存に有利でしたが、酸素の魅力は酵母にとって非常に魅力的であったため、酵母を放棄するのではなく、クラスターのサイズを制限しました.エネルギーを発酵に依存していた酸素非依存性突然変異体にとって、大きくなることへの阻害要因はありませんでした。
しかし、クラスターの違いはサイズだけではありませんでした。チームが顕微鏡で大きな塊を観察したところ、酵母が変化したことが明らかになりました。細胞はより細長く、最初のスノーフレーク イースト クラスターは容易に分裂しましたが (ゼラチンの 100 分の 1 の凝集力を持っていました)、大きなクラスターははるかに堅固でした。 「彼らは、この非常に脆い材料から、木の材料特性を持つものへと進化します」と Ratcliff 氏は言います。 「彼らは少なくとも10,000倍強くなります。」スノーフレークの枝も互いに絡み合っていたので、揺れが結合を壊したとしても、破片は一緒にとどまり、兄弟のより大きな塊に巻き込まれました.生物物理学的には、これは単細胞生物がより大きなサイズの物理的完全性を維持する方法を進化させることができることを示唆しています.
大きなサイズと差別化は密接に関連していると理論化されているため、これは興味深いことです、とクーパーは説明しました. 14 年前、進化生物学者の J.T.ボナーは、多細胞生物が大きくなればなるほど、それが一般的に持つ細胞の種類が増えることに注目しました。彼は、サイズが大きくなると複雑さが増すという仮説を立てました。生物が大きくなるにつれて、対処すべきニーズが多様化するという考えです。 「これは、労働を分割するインセンティブを提供する可能性があります」と Cooper 氏は述べましたが、常にそうであるとは限らないことに注意してください。
そうすれば、サイズが大きくなると変化がどのように促進されるかがわかります。細胞分裂ごとにどんどん大きくなるスノーフレーク酵母の塊を想像してみてください。外側の枝は、外界の栄養素と危険にさらされています。クラスターの奥深くにあるブランチは、異なるエクスペリエンスを持っています。彼らにとって、栄養素は不足しており、身体的ストレスはより大きくなる可能性があります.内部の細胞が外部の細胞とは異なる振る舞いを始めたらどうなるでしょうか?彼らは代謝を変えて、より少ないもので間に合わせるかもしれません.それらは、ラトクリフ研究所の実験の細胞のように、圧力に耐えるためにより頑丈な細胞壁を成長させるかもしれません.あるいは、栄養分をクラスターの奥深くに送り込む、高度に分岐したチャネルを開発する可能性があります。これは、基本的な循環系です。違いは、大規模なクラスターの離れた領域にある細胞の動作と特性に忍び寄る可能性があります.
次に、新しいクラスターが形成されるたびに、その経験がこのプロセスを再現し、内部細胞と外部細胞の環境の同じ違いが同じ発散反応を引き起こすと想像してみてください.かつて単細胞生物だったものの物語がどのように書き直されるか、その体が生き残るために何をしたかのパリンプセストであることがわかり始めます。
多細胞性から分化へ
まだ、実験室で多細胞性と調節された分化の両方を進化させている生物の記録された事例はありません。これまでのところ最も近いものは、Ratcliff と彼の同僚の 2012 年の論文に記載されているスノーフレーク酵母である可能性があり、2 つの枝の接合部にある細胞が時々自らの死を引き起こした.これにより、死んだ細胞に付着していた枝が折れて、独自のクラスターを開始しました。研究チームは、これが分化の一形態である可能性があると考えており、細胞が命を落としたことで、グループとして酵母に利益がもたらされた可能性があります。 「細胞が限られた栄養素に遭遇する前に細胞をバラバラにするなら、細胞死には何らかの利点があるかもしれません」と、Ratcliff と一緒に現象のモデル化に取り組んだ Libby は言いました。
しかし、彼はまた、マックス・プランク進化生物学研究所のポール・レイニーと彼の同僚による研究が、シュードモナス 細菌は多細胞群を形成することもでき、その中で細胞は集合的な目的に役立つさまざまな形態や行動をとることができます。これらのケースで真の差別化を特定するのは難しい場合があります。 「正直なところ、多細胞複雑性の原始的な形態は典型的な単細胞行動のように見えることが多いため、これらの声明は議論の余地がある可能性があります」とリビーは言いました.これは偶然ではありません。どこかから進化しなければなりません。」
巨大なスノーフレーク酵母がその組織に洗練された違いを生み出すことができることが将来の実験で示されるかどうかは、まだ非常に推測の余地があります.しかし、チームが酵母を進化させ続けると、奇妙なことが起こる可能性がたくさんあります.
Bozdağ は、Ratcliff に酵母が大きなサイズに進化したことを伝えたとき、Ratcliff が次のように言ったことを思い出します。これを20年、30年続けないと！」何年にもわたる失望の後、ラトクリフは酵母が実際に体のようなものを提供できることを知り、興奮しました.
「これが 1,000 程度の細胞で飽和するシステムであるかどうかは正直わかりませんでした」と Ratcliff 氏は述べています。 「私たちはそれらを進化させ続け、何ができるかを見なければなりません。何十年、何万世代にもわたって、これらの人たちをできる限り押し進めるかどうかを確認する必要があります…」
彼は後ずさりし、それから再び始めました。 「そうしなければ、機会を逃したことをいつも後悔するでしょう。生まれたばかりの多細胞生物をより複雑にするようにプッシュし、どこまでできるかを確認するのは、一生に一度の機会です。」
訂正:2021 年 9 月 29 日
元の記事では、誤ってワムシを原生動物と呼んでいました。
