600回繰り返された実験で進化の秘密に迫る

アトランタの研究室では、何千もの酵母細胞が毎日生き残るために苦労しています。 別の日を生きる生物はより速く成長し、より速く繁殖し、最大の凝集体を形成します。 約 10 年間、細胞は互いに付着するように進化し、枝分かれした雪の結晶の形を形成しました。

これらの奇妙な雪の結晶は、単細胞生物が集まって多細胞になった数百万年前に何が起こったのかを探る実験の中心となっています。 しかし、このプロセスは最終的に、タコ、ダチョウ、ハムスター、人間などの空想的で非実用的で奇妙な生き物を生み出しました。

多細胞性は地球上の生命の歴史の中で少なくとも20回進化したと考えられていますが、生物がどのようにして単細胞から運命を共有する多数の生物に移行したのかは明らかではありません。 しかし、 研究論文は水曜日にネイチャー誌に掲載された研究者らは、細胞がどのようにして体内で構築され始めるのかについての 1 つの手がかりを明らかにしました。 スノーフレーク酵母を生産したチームは、3,000世代を超えて、酵母の塊が肉眼で見えるほど大きく成長したことを発見しました。 その過程で、柔らかくてふにふにした素材から木のような硬さのある素材へと進化してきました。

ジョージア工科大学の教授であるウィル・ラトクリフ氏は、大学院に在籍していたときに酵母の実験を始めました。 彼は、12 株の大腸菌を 75,000 世代以上にわたって培養し、1988 年以来個体群がどのように変化したかを記録したミシガン大学の生物学者リチャード・レンスキーとその同僚たちからインスピレーションを受けました。 ラトクリフ博士は、細胞の付着を促す進化を研究すれば、多細胞性の起源を解明できるのではないかと考えた。

「私たちが知っている、多細胞性を進化させた系統はすべて、数億年前にこのステップを踏みました」と彼は言う。 「そして、単一細胞がどのようにクラスターを形成するかについては、あまり情報がありません。」

そこで彼は簡単な実験をしました。 彼は毎日、試験管内で酵母細胞を回転させ、最も早く底に沈んだ細胞を吸い上げ、それを翌日の酵母菌の増殖に使用しました。 彼は、最も重い個体または細胞のグループを選択すれば、酵母がくっつく方法を進化させるインセンティブが生まれるだろうと推論した。

そしてそれはうまくいきました: 60日以内にスノーフレーク酵母が出現しました。 これらの酵母が分裂するとき、突然変異のおかげで、それらは互いに完全には分離しません。 代わりに、それらは遺伝的に同一の細胞の分岐構造を形成します。 酵母は多細胞化しました。

しかし、ラトクリフ氏は調査を続けたところ、雪片がそれほど大きくなったようには見えず、頑固に微細なままであることに気づきました。 彼は、酸素または低酸素症の画期的な発見は、彼のグループの博士研究員であるオザン・ボズダーグ氏の功績であると信じています。

多くの生物にとって、酸素は一種のロケット燃料として機能します。 糖に蓄えられたエネルギーは簡単に利用できます。

ボズダーグ博士は実験で一部の酵母に酸素を与え、酸素を利用できない変異を持つ他の酵母を移植した。 彼は、600 回の移植の過程で、酸素欠乏酵母の体積が爆発的に増加したことを発見しました。 雪の結晶はどんどん大きくなり、最終的には肉眼で見えるようになりました。 配合物を詳しく調べると、酵母細胞が通常よりもはるかに長いことが明らかになりました。 枝が絡み合って密集した塊になっていました。

科学者たちは、酸素が酵母の増殖にとって大きな障壁となる理由をこの密度が説明できるのではないかと考えています。 酸素を利用できる酵母にとって、その体積を増やすことは大きなマイナス面がありました。

雪の結晶が小さい限り、細胞は一般に酸素に平等にアクセスできます。 しかし、大きくて密度の高い詰め物は、それぞれの塊の中の細胞が酸素から遮断されていることを意味します。

対照的に、酸素を利用できない酵母は失うものが何もないので、大きくなりました。 この結果は、クラスター内のすべての細胞に栄養を与えることが、生物が多細胞になる際に直面するトレードオフの重要な部分であることを示しています。

形成されるグループも難しい。

「これらのものを破壊するために必要なエネルギーの量は、100万倍以上増加しています」とジョージア工科大学の教授で論文の共著者であるピーター・ユンカー氏は述べた。

この力は、多細胞性の発達における次のステップ、つまり循環系のようなものの発達への鍵となるかもしれない、とラトクリフ博士は言います。 大きな塊内の細胞が栄養素にアクセスするのを助ける必要がある場合、体液の流れを導くのに十分な強度の物体が鍵となります。

「それは酵母の塊に消防ホースを噴射するようなものだ」とユンケル博士は語った。 細胞の量が少ない場合、この栄養素の流入により、すべての細胞が栄養を得る前に細胞が破壊されてしまいます。

研究チームは現在、スノーフレーク酵母の高密度の塊が、その最深部の器官に栄養を届ける方法を進化させる可能性があるかどうかを調査している。 もしそうなら、アトランタの試験管の中のこれらの酵母は、はるか昔、あなたたちの祖先やあなたの周りの多くの生物が細胞から体を作り始めたときがどのようなものだったのかについて私たちに何かを教えてくれるかもしれません。