원산지 연구에 대한 감각적 인 영향에 대한 긴 실험 후, 일본의 연구 그룹은 복잡성과 놀랍게도 협력을 자발적으로 진화시키는 분자의 시험관 세계를 만들고 있다고보고했다. 수백 시간 이상의 복제, 단일 유형의 RNA는 5 개의 다른 분자“종”또는 호스트와 기생충의 혈통으로 진화하고 호스트와 기생충의 혈통으로 진화하고“생태계의 분자 버전의 시작과 같이 생존하기 위해 생존하기 위해 노력하고있다”고 말했다.
이전의 이론적 발견을 확인한 그들의 실험은 복제 수단을 가진 분자가 다윈의 진화를 통해 자발적으로 복잡성을 발전시킬 수 있음을 보여 주었다.
“우리는 직접적인 증거를 제공 할 수 있습니다. Mizuuchi는 복제 분자가 테스트 튜브에서 복잡해질 때 실제로 일어날 수있는 일을 알 수 있습니다.
이 연구에 참여하지 않은 네덜란드 그로 닝겐 대학교 시스템 화학 교수 인 Sijbren Otto는이 실험실에서 복잡한 복제기 네트워크를 발전시키는 첫 번째이자 가장 중요한 단계라고 말했다. "여기에 표시된 내용으로 앞으로의 길은 훨씬 더 명확 해지고 실제로는 실제로 해결 될 수 있다는 것이 훨씬 더 낙관적입니다."
.University College London의 전산 생물 학자 인 Joana Xavier는 Mizuuchi와 그의 동료들의 작품을 최소한의 시스템이 어떻게 복잡하게 할 수 있는지에 대한“훌륭한 개념 증명”으로 환영했습니다. 그녀는“매우 중요한 발전”이라고 그녀는 말했다.
Spiegelman 's Monster의 스폰
새로운 실험의 뿌리는 1960 년대로 거슬러 올라갑니다. Frankenstein의 톤에도 불구하고 그 라벨에서, 그의 작은 괴물은 녹색, 정사각형, 으르렁 거리는 또는 살아 있지 않았습니다. 테스트 튜브를 자체로 채운 합성 분자였습니다.
Spiegelman의 괴물은 바이러스 게놈에 기초한 돌연변이 가닥 RNA였다. 생물 학자는 뉴클레오티드 빌딩 블록의 존재하에 가열 및 혼합하여 단순히 그것을 복제 할 수 있음을 발견했다. 그러나 그는 곧 그의 분자가 시간이 지남에 따라 점점 작아지고 있음을 깨달았습니다. 불필요한 유전자를 흘리는 사본은 더 빨리 복제되어 샘플에서 수집 될 가능성이 향상되고 추가 복제를 위해 새로운 테스트 튜브로 전달되었습니다. 살아있는 종들과 마찬가지로, 그의 분자는 자연 선택의 압력 하에서 유리 세계 내에서 더 잘 살아 남기 위해 돌연변이되고 진화하기 시작했습니다.
이 연구는 분자 수준에서 다윈의 진화에 대한 세계 최초의 실험 시연이었습니다.“자연 선택에 의한 진화, 적합한 생존에 의한 진화”는 국립 생명 공학 정보 센터의 국립 보건원 구별 연구원 인 유진 쿠닌 (Eugene Koonin)은 말했다. "이러한 조건에서 적합한 것은 단순히 가장 빠른 복제를 의미했습니다."
Spiegelman의 작업은 수십 년의 추가 연구에 영감을 주었으며, 그 중 상당수는 Life의 기원에 대한 연구에 기초가되었으며 생명이 자체 복제 RNA 분자에서 생명이 생겨났다는 RNA 세계 가설에 연료를 제공했습니다. 그러나 이러한 연구는 답이없는 중요한 질문을 남겼습니다. 단일 분자 복제기가 다중 복제기의 복잡한 네트워크로 진화 할 수 있습니까?
약 10 년 전, Norikazu Ichihashi가 일본 오사카 대학교에서 생물 정보 공학 부교수 였을 때, 그는 Spiegelman의 테스트 튜브 세계를 조정함으로써 답을 배우기 시작했습니다. Ichihashi는“우리는 우리의 시스템을 조금 더 생생한 것으로 개발하려고 노력했습니다.
Ichihashi와 그의 팀은 RNA를 암호화하는 RNA 분자를 개발하여 RNA 사본을 만들 수 있습니다. 그러나 분자가 자체 코드를 번역하기 위해 과학자들은 더 많은 것을 추가해야했습니다. 리보솜과 다른 유전자 번역 기계가 일반적인 장내 박테리아에서 빌린 다른 유전자 번역 기계 대장균 coli . 그들은 물방울 안에 기계를 삽입하여 RNA와 원료의 혼합물에 추가했습니다.
그런 다음 수년간의 지루한 혼합과 대기가 왔습니다.
그들의 장기 실험은 복제 시스템을 섭씨 37도 (인체 또는 더운 여름날의 온도)에서 인큐베이션하고, 새로운 번역 시스템으로 새로운 방울을 추가하고, 혼합물을 교반하여 복제를 유도하는 것이 포함되었습니다. 며칠마다 테스트 튜브에서 RNA 농도를 분석하고 매주 최신 혼합물로부터 샘플을 얼렸다. 반년마다, 그들은 RNA가 새로운 돌연변이를 획득하고 새로운 계보로 진화했는지 확인하기 위해 수집 된 샘플의 큰 배치를 시퀀싱했습니다.
테스트 튜브의 진화
215 시간과 43 번의 복제 후, 연구원들은 흥미로운 결과를보기 시작했으며, 이는 국립 과학 아카데미 의 절차에서보고했다. 2016 년. 원래 RNA는 다른 두 RNA의 계보로 대체되었습니다. 연구원들이“호스트”라고 묘사 한 하나는 자체 복제를 사용하여 원래 분자와 같이 스스로를 복사 할 수 있습니다. 다른 계보 인“기생충”은 숙주의 유전자 발현 기계를 빌려야했습니다.
Ichihashi와 그의 동료들이 600 시간에 걸쳐 실험을 120 라운드의 복제로 확장했을 때, 호스트 계보가 두 개의 별도의 숙주 계보로 나뉘었고, 호스트 중 하나가 두 개의 별개의 기생충을 진화 시켰음을 발견했습니다. 그러나 증가한 계보의 수는 아닙니다. 또한 상호 작용의 복잡성이있었습니다. 숙주들은 기생충이 복제 자원을 납치하는 능력을 방해하는 돌연변이를 얻었지만 기생충은 또한 그러한 장애물에 대한 방어 역할을하는 돌연변이를 개발했다. 숙주와 기생충은 공동 변하고있는 것처럼 보였다.
과학자들은 2020 년에 elife 에서“Evolutionary Arm Races”에서 영역을 놓고 경쟁함에 따라 기생충과 호스트의 인구는 크게 변동했습니다. . 각 RNA 계보는 일시적으로 지배적으로 상승한 다음 다른 자리로 자리를 잃었습니다. 도쿄 대학의 교수 인 Ichihashi는“한 계보가 지배적이면 또 다른 계보가 줄어들었다”고 말했다.
그러나 연구원들은 실험을 계속 진행했으며 130 라운드까지 다른 호스트가 진화했습니다. 160 라운드에 의해 기생충 중 하나가 사라졌습니다. 일부 라운드 후에 또 다른 기생충이 나타났습니다. 190 라운드에서 연구원들은 새로운 놀라움을 쳤다. 각 계보의 인구의 거대한 역동적 인 스윙은 작은 파도에 길을주기 시작했다. 이 안정화는 계보가 더 이상 복제하기 위해 경쟁하지 않았 음을 시사했다. 대신, 그들은 네트워크로 상호 작용하고 준 안정적인 공존 상태에서 협력하기 시작했습니다.
Taro Furubayashi (당시 Ichihashi 실험실의 박사 과정 학생이자 도쿄 대학의 연구원)와의 실험을 수행 한 Mizuuchi와 Ichihashi는 Nature Communications 에서보고 한 결과에 의해 바닥재되었습니다. 3 월. 그들은 단지“단순한 분자”라고 Mizuuchi는 말했다. "예상치 못한 일입니다."
협동 기생충은 몫을합니다
Koonin은 그들의 발견이 눈에 띄고 있다는 데 동의합니다. 그들의“실험 설정은 더 정교하고 현실적이며 결과는 더 복잡하고 풍부하지만 Spiegelman 's와 완전히 호환됩니다”라고 그는 말했다. 그들은 자연 선택 하에서 단일 유형의 분자 복제 및 돌연변이를 모으는 것을 보았지만, 살아있는 세포, 동물 또는 사람들의 공동체와 마찬가지로 발산 분자가 서로의 영향을받는 공동체로 진화하도록함으로써 더 나아갔습니다. 그 과정에서 연구원들은 그러한 복잡한 공동체가 안정적이고 지속되는 데 필요한 규칙을 탐구했습니다.
이들 결과 중 일부는 바이러스, 박테리아 및 진핵 생물 및 일부 이론적 연구에서 복잡성이 어떻게 발생할 수 있는지에 대한 초기 실험 연구의 예측을 확인했다. 예를 들어 Koonin의 실험실의 연구에 따르면 기생충은 복잡성의 출현에 불가피하다고 제안했습니다.
Mizuuchi는“기생충이 없으면이 수준의 다각화는 불가능할 것입니다. 기생충과 호스트가 서로가 위치한 진화론 적 압력은 양쪽이 새로운 계보로 나뉘어진다.
더 놀라운 근본적인 원칙은 협력의 중요한 역할이었습니다. 5 개의 혈통은 다른 작은 협력 네트워크에 속했으며 일부는 다른 것보다 더 협력 적이었습니다. 예를 들어, 라운드 228에 의해, 세 개의 호스트 중 하나는 자체와 다른 모든 계통을 복제 할 수있는“슈퍼 협력자”로 진화했다. 다른 두 호스트는 각각 자신과 기생충 중 하나만 복제 할 수 있습니다.
Xavier는 과학자들은 오랫동안 진화 경쟁 연구에 중점을 두어 협력의 역할이“조금 간과되었다”고 말했다. "저는 협력이 올바른 방식으로 함께 모여야 할 많은 것들이 있기 때문에 특히 기원에서 중요한 역할을 시작할 것이라고 생각합니다."
.RNA 간의 협력은 Ichihashi, Mizuuchi 및 동료들이 관찰 한 시스템의 복제에 전적으로 중점을 두었습니다. 그러나 연구자들은 테스트 튜브 내부의 자연 선택 기준을 조정함으로써 신진 대사 기능과 같은 완전히 다른 기능을 발전시키기 위해 RNA를 강요 할 수 있기를 희망합니다.
.다른 운명
산타 크루즈 캘리포니아 대학교 (University of California)의 생체 분자 공학 연구 교수 인 데이비드 디머 (David Deamer)는“과학자들은 서로를 즐겁게하고 최고의 엔터테인먼트는 놀랍습니다. 그는 좋은 논문이라고 생각하지만 실험실에서 일어난 일은 생명의 새벽에서 일어난 일로 번역되지 않을 수 있다고 언급했다.
.실제로, Ichihashi의 실험실의 시나리오는 실험이 e의 번역 기계에 의존하기 때문에 인생의 시작시 작동을 반영 할 수 없었습니다. coli . "생명의 기원에 대한 전형적인 문제는 단백질 합성 자체가 어떻게 시작 되었습니까?" 노스 캐롤라이나 대학교 의과 대학의 생화학 및 생물 물리학 교수 인 찰리 카터 (Charlie Carter)는
그러나 Koonin은 연구자들이 진정으로 자기 복제 된 분자 시스템을 사용하여 복잡성을 발전시키는 방법을 찾으면 논문에 묘사 된 네트워크와 매우 유사한 것을 볼 것이라고 생각합니다. Koonin은“최소한 생명의 기원에서 발생했을 가능성이있는 과정의 유형을 아름답게 설명합니다.
Otto 에게이 연구는이 복잡성에서 분자와의 정확한 복제 문제를 해결 한 후에는 더 복잡하게 될 것입니다. 실험은“어떻게 도착했는지 보여주지 않지만이 단계에서 거기에 도착하면 앞으로 나아갈 길을 차트에 올릴 것”이라고 말했다.
Ichihashi와 그의 동료들은 자신의 작업을 계속하면서 별도의 실험에서 동일한 지속 가능한 네트워크를 다시 만들 수 있는지 확인하기를 원했기 때문에 5 개의 계통의 샘플을 추출했습니다. 그러나 이번에는 4 개의 계보가 계속 복제되어 최소 22 라운드 동안 생존했지만 다섯 번째는 사라 졌음을 발견했습니다. Ichihashi는“왜 그런지 모르겠습니다. “매우 이상한 지점입니다.”
한 가지 가능성은 시스템이 연구원들이 생각한 것보다 훨씬 더 복잡했으며, 5 개의 계보를 격리했을 때, 그들은 사라진 계보의 생존에 중요한 여섯 번째를 놓쳤다. 이론적 모델로, Ichihashi의 그룹은 남아있는 4 개의 계보가 지속 가능하고 상호 의존적으로 복제 될 수 있으며, 4 개 중 하나를 두드리는 것은 다른 하나 중 하나 이상의 멸종으로 이어질 것임을 확인했습니다. 그들의 시뮬레이션은 또한 기생충 중 하나를 두드리는 것이 호스트의 멸종으로 이어질 것이라는 반 직관적 인 발견을 지적했다.
.한편, 연구원들은 주요 테스트 튜브 실험을 계속했으며 네트워크가 더 복잡할지 여부를 기다리고 있습니다. 그들은 또한 RNA 대신 DNA를 사용하는 유사한 실험을 시작했습니다.
Ichihashi는“우리는 분자 복제기의 공동체가 어떻게 진화 할 수 있는지에 대한 시작을 관찰했다”고 말했다. "나는 그들이 미래에 다른 운명을 가지고 있다고 생각합니다. 우리는 어떤 일이 일어나는지 예측할 수 없습니다."
. 수정 :2022 년 5 월 5 일
"복잡한 네트워크의 진화"그림의 이전 버전은 숙주와 기생충 간의 상호 작용을 나타내는 일부 화살표가 없었다. 교체되었습니다.
