Masz kilka tygodni? Wyewoluuj wielokomórkowe drożdże!

Kilka dni temu ukazał się (wreszcie!) artykuł Willa Ratcliffa o ewolucji wielomórkowości w laboratorium. Mimo tego, że takie zjawisko wydaje się być trudne do osiągnięcia - wcale tak nie jest. Po zaledwie kilku tygodniach ze zwykłych jednokomórkowych drożdży, naukowcom udało się wyselekcjonować wielokomórkowe warianty. Sam proces selekcji polegał na hodowaniu komórek drożdży w mieszanej probówce (24h) a potem odstawianiu jej na stół bez mieszania (24h). Do kolejnej rundy doświadczeń pobierane były komórki z dna (nie mylić z DNA) takiej probówki. W założeniu powinno to doprowadzić do powstania szybkoopadających szczepów drożdży - co można osiągnąć zwiększając gęstość komórki, wielkość komórki albo przez osiągnięcie wielokomórkowości (lub pseudowielokomórkowości, gdzie komórki nie są trwale połączone). Doświadczenie jest na tyle proste, że w zasadzie można je wykonać w domu czy w nawet skąpo wyposażonej pracowni szkolnej (w podstawowej wersji). 

Miałem przyjemność zobaczyć jak postępował ten eksperyment - w początkowych dniach po 24 h na stole probówka była mętna z niewielką ilością osadu na dnie, po kilku tygodniach transferów, praktycznie wszystko było na dnie po tych samych 24 h. Okazało się, że komórki drożdży zaczęły tworzyć wielokomórkowe śnieżynki, które opadały znacznie szybciej niż jednokomórkowa wersja.

Ale między posiadaniem wielu komórek a wielokomórkowością jest kilka różnic. Przykład, miejmy nadzieję jak najdalszy moim czytelnikom, to nowotwór. Nasz organizm działa jako jednostka. Selekcja odbywa się na poziomie organizmu a nie na poziomie komórki. Owszem, mamy wiele różnych rodzajów tkanek, komórek czy organów ale koniec końców to przydatność tych tkanek dla całości organizmu jest wyznacznikiem ich ewolucyjnego sukcesu. Inaczej jest z nowotworami, kiedy naszym komórkom "przypomina się" nagle ich jednokomórkowa przeszłość i zaczynają się dzielić bez opamiętania. Początkowo jest to dla nich sukces - bo ich liczba rośnie, ale niestety zbyt często wiąże się to z uśmierceniem żywiciela i zarazem samych siebie. Nowotwór zachowuje się jak jednokomórkowiec mimo, że ma wielokomórkową strukturę. Podobną sytuację można sobie wyobrazić w wypadku drożdży, które mimo swojej wielokomórkowej struktury mogłyby się zachowywać jak jednokomórkowce. Nikogo by to nawet nie zdziwiło, biorąc pod uwagę krótki czas w jakim nabyły nową cechę. Jednak kilka obserwacji badaczy wskazuje na to, że nowa forma drożdży zachowuje się jak rasowy wielokomórkowiec. Dlaczego? - tu potrzebny krótki wtręt techniczny. 

Wielokomórkowe drożdże muszą mieć metodę rozmnażania się. Podział komórkowy jest w tym wypadku niezbyt przydatny bo prowadzi tylko i wyłącznie do powiększenia się śnieżynki. Tu z pomocą przychodzi apoptoza - programowana śmierć komórki. Jeżeli dana komórka w śnieżynce obumrze, śnieżynka dzieli się na dwie potomne. W normalnych warunkach apoptoza dotyczy starych komórek. Ponieważ śnieżynki rosną od wewnątrz do zewnątrz - w początkowych stadiach doświadczenia dzieliły się one na pół (bo tam były najstarsze komórki) i dopiero wtedy, kiedy śnieżynki były bardzo duże (bo apoptoza drożdży to rzadki proces). Lepsze to niż nic ale takie rozwiązanie nie jest idealne. Większe śnieżynki mają problem z transportem składników odżywczych do wewnątrz i usuwaniem szkodliwych metabolitów na zewnątrz - problemem abstrakcyjnym dla jednokomórkowca. To powoduje jednak, że większe śnieżynki rosną znacznie wolniej. Dlatego od podziału pół na pół korzystniejszy byłby podział niesymetryczny, gdzie mała śnieżynka rośnie szybko. Korzystne dla śnieżynki - nie koniecznie dla indywidualnych komórek - byłaby też większa częstotliwość apoptozy - końcowy rozmiar przed podziałem byłby wtedy mniejszy. Jak zapewne zgadujecie - stało się dokładnie tak. Inaczej pewnie nie rozpisywałbym się na ten temat:). Częstotliwość apoptozy wzrosła a podziały stały się asymetryczne. Co pokazuje pośrednio, że w wypadku śnieżynek selekcja nastąpiła na poziomie wielokomórkowego organizmu raczej niż na poziomie komórki. 

Oczywiście nic nie jest idealne. Jednym z problemem tego badania jest to, że drożdże, a w zasadzie ich przodkowie, byli kiedyś wielokomórkowcami. Owszem - było to co prawda kilkaset mln lat temu ale można argumentować, że reewolucja zagubionej cechy jest łatwiejsza niż ewolucja nowej cechy de novo. Dlatego autorzy usilnie pracują teraz nad wyewoluowaniem wielokomórkowości u organizmów nieobarczonych wielokomórkową przeszłością. I oczywiście kontynuują w laboratorium hodowlę śnieżynek, żeby przekonać się czy w rozsądnych ramach czasowych wyewoluują w nich dwie lub więcej grupy komórek wyspecjalizowanych. Miejmy nadzieję, że w ciągu najbliższych kilku lat będę miał przyjemność zakomunikowania ich kolejnych odkryć.

Zródlo:

William C. Ratcliff,R. Ford Denison, Mark Borrello,Michael Travisano