Созданы синтетические организмы, которые прольют свет на ход эволюции

Эволюция помогает объяснить разнообразие жизни на Земле. Между тем в знаниях учёных об этом процессе существуют пробелы, которые им бы хотелось заполнить.

Чтобы заглянуть в прошлое и посмотреть на некоторые ключевые этапы развития жизни, учёные из Института Скриппса создали синтетические микроорганизмы. По мнению авторов работы, полученные организмы могут быть похожи на некоторых существ, которые могли обитать на планете миллиарды лет назад.

Специалисты разработали два типа синтетических микробов, каждый из которых предназначен для изучения различной стадии эволюции на Земле.

Первая – бактерия-химера, в геноме которой есть и РНК, и ДНК. Она поможет понять, как жизнь смогла, "оседлав" РНК, перейти к использованию для своих целей молекулы ДНК.

Вторая – вид модифицированных дрожжей, обладающих симбиотической бактерией внутри своих клеток. Этот организм должен пролить свет на появление митохондрий (напомним, что это своего рода электростанции живых клеток). Согласно существующим теориям, митохондрии (которые, к слову, обладают своей собственной ДНК) внедрились в древние клетки в качестве симбиотических организмов, а потом так и остались внутри них, полностью потеряв возможность выживать вне клетки-хозяина.

"Спроектированные организмы позволяют нам изучать две ключевые теории о главных вехах в эволюции живых организмов – переходе от мира РНК к миру ДНК и переходе от прокариот к эукариотам с митохондриями", — говорит старший автор двух работ Питер Шульц (Peter Schultz).

Разработка и исследование моделей, которыми легко манипулировать в лаборатории, позволит учёным искать ответы на вопросы о ранней эволюции, добавляет Шульц.

Напомним, что сегодня формы жизни хранят свою генетическую информацию в молекулах ДНК. Между тем учёные предполагают, что изначально жизнь могла пользоваться более простыми молекулами РНК для той же цели. И делалось это до определённого этапа развития жизни, когда она начала использовать более стабильную ДНК.

Остаётся загадкой, когда и как произошло "переключение". Возможно, что в прошлом существовал некий организм, который использовал ДНК и РНК одновременно.

Именно это учёные и решили проверить, разработав бактерию-химеру, чтобы изучить её жизнеспособность.

Они модифицировали E. coli (кишечную палочку) так, чтобы она строила свою ДНК из рибонуклеотидов, которые обычно используются для построения РНК. Геном полученных микробов содержал до 50 процентов РНК. Бактерии смогли не только выжить, но и размножаться.

Специалисты планируют использовать новый организм для проверки и других теорий.

Второй синтетический организм был разработан для изучения происхождения митохондрий. Их можно найти в клетках сложных организмов под названием эукариоты.

По существу, митохондрии являются генераторами энергии организма, преобразовывая кислород в молекулу аденозинтрифосфата.

Интересно, что существуют признаки того, что эти органеллы когда-то были независимыми организмами, которые медленно поглощались более сложными существами. Митохондрии имеют свою собственную ДНК, и генетический анализ показывает, что они могут быть связаны с бактериями рода риккетсии, которые живут внутри клеток организмов-хозяев.

Чтобы проверить, могут ли бактерии выполнять "митохондриальные обязанности" внутри клеток другого организма, учёные вновь обратились к E. coli и пекарским дрожжам. Они сделали им зависимыми друг от друга.

Бактерии были спроектированы таким образом, что не могли обходиться без тиамина. Они должны были получать этот витамин из дрожжей.

Последние же были изменены так, чтобы существующие митохондрии дрожжей не могли производить энергию. Словом, они должны были полагаться на молекулы АТФ, вырабатываемые бактериями.

Выяснилось, что такой искусственный симбиоз работает. Бактерии не только выжили, но и породили более 40 новых поколений без признаков замедления. Более того, они даже практически адаптировались к необычной среде. Предполагается, что они могли бы в конечном итоге превратиться в нечто, похожее на митохондрии.

Авторы работы намерены продолжать изучение синтетических организмов подобного рода, чтобы лучше понять эволюцию жизни на Земле.

Новые синтетические организмы описаны в двух статьях, вышедших в изданиях PNAS и Journal of the American Chemical Society (первая и вторая).

Добавим, что ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) описывали и другие интересные работы учёных из Института Скриппса. В частности, специалисты спроектировали полусинтетическую бактерию, которая впервые создала совершенно новый белок. Кроме того, мы рассказывали о создании первого в мире жизнеспособного полусинтетического организма и живой клетки из "внеземных" единиц ДНК.