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技術(shù)文章

科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)生物進(jìn)化過程

2021-02-10 11:01:24

  運(yùn)行時(shí)間最長的進(jìn)化試驗(yàn)重現(xiàn)了自然界的另一面,并且展示了一種生物的重大變化如何改變它的環(huán)境以及居住在那個(gè)空間中所有生物的進(jìn)化軌跡。

  長期實(shí)驗(yàn)進(jìn)化項(xiàng)目開始于1988年。美國密歇根州立大學(xué)的Richard Lenski選擇了單菌株的大腸桿菌,并且創(chuàng)建了12種培養(yǎng)菌。

  此后的每一天,每種培養(yǎng)菌的樣品都被轉(zhuǎn)移到以葡萄糖為主要營養(yǎng)物質(zhì)的新鮮培養(yǎng)基中。如今,自試驗(yàn)開始,已有6萬多代大腸桿菌產(chǎn)生。

  Lenski的試驗(yàn)讓人們以前所未有的細(xì)節(jié)見證了進(jìn)化。由于樣品每隔75天便被冷藏起來,因此研究團(tuán)隊(duì)能再次辨認(rèn)他們所看見的改變背后精確的基因突變。

  最大的進(jìn)化改變在約3.15萬代之后發(fā)生。在12種培養(yǎng)菌中,一種細(xì)胞系演化出以培養(yǎng)基中另一種化學(xué)物質(zhì)—檸檬酸為食的能力。如今,來自Lenski團(tuán)隊(duì)的Caroline Turner和其他成員在一篇提交到預(yù)印本文獻(xiàn)庫的論文中描述了這種變化引發(fā)的一些影響。

  大腸桿菌通常并不以檸檬酸為食,因?yàn)樗鼈儫o法將其攜帶進(jìn)細(xì)胞中。不過,食檸檬酸細(xì)菌中的一個(gè)突變使其產(chǎn)生逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CitT。該蛋白能讓檸檬酸繞過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。這種蛋白的基因已經(jīng)存在,但在氧氣出現(xiàn)時(shí)通常會(huì)被關(guān)閉。

  一旦以檸檬酸為食的能力進(jìn)化出來,整個(gè)菌群便會(huì)繁盛,因?yàn)橄嗤呐囵B(yǎng)基能維持更多細(xì)胞的生命。很快,這些以檸檬酸為食的細(xì)菌占據(jù)統(tǒng)治地位,戰(zhàn)勝了所有大腸桿菌,除了其中一株—該菌株反過來演化出利用被改變的環(huán)境的能力。

  它通過產(chǎn)生更多的被稱為DctA的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成功做到了這一點(diǎn)。DctA能以很小的能量代價(jià)導(dǎo)入以檸檬酸為食的菌株所導(dǎo)出的琥珀酸和其他分子。不過,事情并未就此停止。檸檬酸吞食者隨后還開始制造更多的DctA,以試圖奪回在獲取檸檬酸過程中損失的一些琥珀酸和其他分子。

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