Первичная мимикрия вызывает морфологические изменения у Escherichia coli

Биология коммуникаций, том 5, Номер статьи: 24 (2022) Цитировать эту статью

3713 Доступов

4 цитаты

44 Альтметрика

Подробности о метриках

Морфология примитивных клеток была предметом обширных исследований. Сферическая форма обычно предполагалась в исследованиях пребиотиков, но не имела экспериментальных подтверждений в живых клетках. Неясно, изменилась ли форма живых клеток и каким образом. Здесь мы подвергли палочковидную бактерию Escherichia coli режиму использования ресурсов, имитирующему первичную среду обитания. Олеат был предложен в качестве простой в использовании модели пребиотического питательного вещества, поскольку везикулы жирных кислот, вероятно, присутствовали на пребиотической Земле и могли использоваться в качестве энергетического ресурса. Шесть эволюционных линий были созданы в условиях отсутствия глюкозы, но с высоким содержанием везикул олеиновой кислоты (OAV). Интересно, что повышение приспособленности обычно было связано с морфологическим изменением от палочки к сфере и уменьшением как размера, так и отношения площади к объему клетки. Измененная форма клеток сохранялась либо в OAV, либо в глюкозе, независимо от компромиссов в использовании углерода и количестве белка. Высокодифференцированные мутации, присутствующие в геноме, выявили две различные стратегии адаптации к условиям, богатым OAV, т.е. либо напрямую воздействовать на клеточную стенку, либо нет. Изменение морфологии клеток Escherichia coli при адаптации к доступности жирных кислот подтверждает предположение о примитивной сферической форме.

Изучение формы примитивных клеток имеет решающее значение для понимания происхождения жизни, поскольку оно глобально ограничивает физические и химические особенности клетки1,2. Исследования происхождения жизни обычно фокусировались на биохимических реакциях с молекулярными строительными блоками в пребиотической химии и на важности генетической информации в синтетической биологии3,4,5,6. Возможные пути возникновения жизни и дальнейшего развития к последнему универсальному общему предку (LUCA) интенсивно изучались7,8,9. Успешный синтез полинуклеотидов из одиночных нуклеотидов10 и репликация ДНК/РНК внутри везикул11,12 выявили механизмы, посредством которых биохимические компоненты работают в протоклетках. Успешное создание синтетических геномов13,14,15 и редуцированных геномов16,17,18,19 позволило изучить минимальные генетические потребности современных клеток. Эти исследования предоставили плодотворную информацию и ценные модели относительно строительных блоков и генетических требований, возможно, для примитивных клеток; однако примитивная морфология мало изучена.

Форма примитивной клетки остается неизвестной. Определенные морфологии, то есть формы и/или размеры, имеют решающее значение для клеточной жизни, поскольку они обеспечивают закрытое пространство для правильной работы строительных блоков и для генетического материала для выполнения своих биологических функций1,20,21. Учитывая простоту строительных блоков, ответственных за примитивную клеточную жизнь, была предположена сферическая структура, которая десятилетиями использовалась в модельных протоклетках в исследованиях происхождения жизни. Вот почему отсеки сферической формы, например, везикулы и капли22,23,24, обычно используются для имитации протоклеток25,26,27. Однако вопрос о том, почему примитивная клетка могла иметь сферическую форму и были ли сферы энергетически или термодинамически предпочтительными для примитивных клеток, остается открытым вопросом. Поскольку предполагается, что примитивная клетка не имела клеточной стенки, она могла легко принять сферическую форму, как примерно сферический протопласт. Кроме того, формы современных клеток, например бактерий, изучаются только на основе гомологии генома28. В качестве одной из экспериментальных демонстраций бактерии L-формы продемонстрировали неправильную морфологию из-за дефектов клеточной стенки29,30. У большинства современных бактерий есть механизм мембранного синтеза31, который должен был возникнуть в ходе эволюции, чтобы поддерживать свою форму, например палочковидную, у некоторых микробных родов. Соответственно, примитивная клетка без какой-либо развитой мембраны и/или клеточной стенки могла иметь сферическую форму32, но необходимы экспериментальные доказательства формы примитивных клеток.

1), the magnitude of the change in OAVs was significantly larger (p = 0.01) than that in glucose (Fig. 1B, bottom). The cell morphology was further confirmed by single-cell imaging (Fig. 2 and Supplementary Fig. 2). The cells that evolved in glucose (G#) maintained a rod shape (Fig. 2B), similar to that of Ori cells (Fig. 2A). In contrast, those evolved in OAVs were all shorter and thicker than those evolved in Ori, and some of them were nearly spherical, regardless of whether grown in OAVs or glucose (Fig. 2C). These results demonstrate that rod-shaped E. coli, which generally maintains its shape while metabolizing glucose, became closer to spherical once adapted to OAVs./p> 5) are indicated. The boxplots of the mean aspect ratio, the mean cell length, the mean logarithmic area, and the volume of the cell populations are shown in (C–F), respectively. The individual tests are indicated as circles, which correspond to the data in Supplementary Fig. 4. The medians and the averages of the growth rates are represented as lines and crosses inside the box, respectively. Statistical significance is indicated as the p-value. The meaning of the colour variation is indicated./p> 5) are indicated. B Cellular protein abundance. The cellular protein concentration is represented by GFP/V on the logarithmic scale. The Ori and Evos (evolved in OAVs) are indicated as green and colourless circles, respectively. The gradation from light to dark grey indicates the six lineages. Standard errors of biological repeats (N > 5) are indicated./p> 10), which had been prepared by adding 190 μL of 5 M NaOH to 4 mL of ddH2O. The suspended solution (250 mM oleate micelles) was vortexed and agitated overnight at room temperature. Subsequently, the OAV solution was prepared by diluting 250 mM oleate micelles to a final concentration of 5 mM and adjusting to pH 8.3 with HCl (Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, China). The media were all extruded with an LE-200 extruder (Morgec, China) and a 0.2 μm nucleopore polycarbonate membrane (Whatman, UK) three times and then sterilized with 250 mL filtration units equipped with 0.22 μm membranes (Millipore, USA). Glucose-supplemented minimal media, comprising 62 mM K2HPO4, 39 mM KH2PO4, 15 mM (NH4)2SO4, 0.009 mM FeSO4, 0.015 mM thiamine hydrochloride, 0.2 mM MgSO4 and 0.105–10.5 mM glucose, were prepared as described previously77. The media were finally adjusted to pH 8.3 with 2 M KOH, similarly to the OAV-supplemented media. The chemical reagents used for the medium preparation were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) unless indicated./p> 5) of the maximal cell concentration (cells/mL), which were calculated according to the temporal measurements, divided by the concentrations (mM) of the supplied carbon source, i.e., OAVs or glucose. The steady population densities were measured, and the cell concentrations per mM carbon source were calculated as the population capacity. The results were summarized in Supplementary Data 6./p> 4) to draw the conclusion. The details were described in the corresponding sections of experiments and analyses. The data sets acquired from the repeated experiments and used for the statistic analyses are supplied as Supplementary Data for reference./p>