代谢不是原核生物内共生的限制因素

“生物学的一大奥秘，” 前 SFI 博士后研究员、瑞典于默奥大学综合科学实验室 ( IceLab ) 副教授埃里克·利比 ( Eric Libby ) 说，“是真核发生，即真核生物是如何产生的。” 科学家们认为这是一个重大进化转变的时期，对我们了解地球上生命的历史和进化至关重要。

在 2023 年 4 月 21 日发表在PNAS 上的一项新研究中， Libby 与亚利桑那州立大学的 SFI 教授Christopher Kempes 和 Jordan Okie 合作， 通过使用各种理论技术关注新陈代谢来研究这个谜团。

有证据表明，真核生物是在两种原核生物(一种细菌和一种古细菌)与占据古细菌细胞壁内的细菌融合时形成的。这种一个细胞与另一个细胞的合作生活，一种内共生的存在，导致了真核生物的完整多样性，包括所有复杂的生命，如我们。今天，科学家们在现代真核生物的细胞内看到了内共生的痕迹，从哺乳动物和鸟类到植物和真菌：线粒体和叶绿体等细胞器曾经是独立的生物体。然而，当我们环顾自然界时，很少会在原核生物中看到内共生现象。

为什么?进化生物学家还不知道。存在许多理论，但很少被建模或量化。

“新陈代谢是一项根本性挑战，”利比说。“如果一个细胞吞噬另一个细胞就能同时生长?他们能否在种群中与其他不需要维持两个细胞的人竞争?”

研究小组使用三个大型数据库和各种原核生物的完整基因组模型来测试可能限制内共生的三个进化阶段：生存力、持久性和进化性。

第一个代谢问题——生存能力——询问内共生中的两种生物是否都能获得生存所需的资源。内共生体——生活在里面的个体——从宿主细胞内获取它需要的一切有多难?

“事实证明，这很容易，”肯普斯说。“我们尝试配对的网络中有一半以上是可行的。”

第二个和第三个问题——持久性和进化性——衡量了内共生在不断变化的环境中与其直系祖先竞争的能力。结果表明，与他们的祖先相比，大多数配对的适应度和进化能力都较差，但并非总是如此。

“从某种意义上说，令人惊讶的是，原核生物之间超过一半的可能内共生实际上可能存活下来，”Libby 说。“同样令人惊讶的是，鉴于内共生中的两个基因组，它们的适应能力不如它们的单基因组祖先。这两个结果都与我们最初的预期背道而驰。”

Okie 补充道，“这意味着它们在地球上多样化和辐射的潜力较低，并且可能有助于解释为什么除了真核生物之外，今天的原核生物内共生体相对较少。”

然而， Okie 说，其中一项有趣的发现是，当环境中的资源变得稀缺时，许多模型 对确实具有 优势。“这一发现可能有助于指导对地球微生物组的探索，以发现生活在我们中间的更多原核内共生体。”

该研究表明，代谢网络相容性可能不是原核生物内共生的限制因素。尽管如此，仍然存在各种各样的其他理论和主张。

“我们需要开始量化这些说法，”肯普斯说。“真核发生有多难?我们需要一个通用的尺度，既可以用于了解过去，也可以作为想要构建新细胞器或提高细胞效率的合成生物学家的基准。” 量化这一挑战的难度是了解生命如何在地球上进化、它可能存在于宇宙其他地方的可能性以及在实验室中创造它的可能性的关键。