Експериментално е показано образуването на многоклетъчни еукариоти (клетки с ядра) от едноклетъчни предци

Обикновени дрожди (вляво) се превръщат в многоклетъчни организми (вдясно) с помощта на укрепваане на необходимите мутации в хода на изкуствен подбор. Снимки от допълнителните материали към статията в PNAS

Известно е, че истинските многоклетъчни животни са се формирали на базата на еукариотни клетки, макар че животът на планетата е опитвал за тази цел различни пътища. Как е могло да се случи това? В експерименти върху едноклетъчни дрожди, учените са получили с помощта на изкуствен подбор многоклетъчни асоциации. Клъстерите са нараствали поради факта, че дъщерните клетки след разделянето остават с майчините, а не поради сливането на единични клетки, както се наблюдава при бактерии. Мутациите, осигуряващи многоклетъчността са стабилни и в рамките на многоклетъчните клъстери, дори се наблюдавало разделение на функциите.

Както е прието сега да се мисли (и вероятно така е и било), многоклетъчността в историята на живота на земята, се е случвала повече от веднъж. Освен това, в рамките на тази тема, сега освен многоклетъчните организми обсъждаме и различни клетъчни асоциации, формирани на базата на бактерии, едноклетъчни водорасли и първаци. Последните могат да са колонии в течение на целия си жизнен цикъл както кълбото Волвокс, а могат да се превръщат в многоклетъчен организъм само когато това е необходимо, както и в случая на колониалните амеби Dictyostelium (виж Примери за самоорганизация в живата природа).

Многобройните модели показват, че истинска многоклетъчност може да бъде получена само на базата на еукариотни клетки и само на клетки с еднакъв геном. Да приемем, че еукариотната клетка вече съществува, как тя се превръща в многоклетъчен организъм? Какво прави от съвършения егоист, какъвто е едноклетъчния организъм, съвършения колективист – представител на съгласувания ансамбъл от клетки на едно многоклетъчно, в които възможността да се размножават е оставена само на избрани? Първата стъпка в тази необикновена трансформация е отказът да се разпръсне след деленето, а след това и диференциацията на функциите и структурите

Защо клетката на едноклетъчните спира да се разпръсква след делене? Предишните изследвания, например, показват, че обикновеното едноклетъчно водорасло Хлорела формира осемклетъчни конгломерати, ако хлорелата е изяждана от флагели (камшичета). Клетките на водораслите, увеличавайки размера си, се защитават от изтребление. Обаче други примери на еукариоти, които показват преход от едноклетъчен живот към колективен, засега няма. В този смисъл работата на американските учени от Университета на Минесота е много полезна: учените са проследили целия процес на трансформация на отделните клетки на дрождите в многоклетъчни асоциации. Те се фокусирали върху механизма на формиране на многоклетъчните структури и показали началните етапи на разделение на функции на клетките в клетъчните асоциации.

Многоклетъчни клъстери, наречени снежинки, които са получени в хода на подбора на многоклетъчност. В горния ляв ъгъл единичните клетки дрожди, с които експериментът започва, на останалите снимки на ляво – фенотип на многоклетъчни клъстери от различни линии (от 1-ва на 5-та линия), вдясно – общ изглед на получените клъстери. Снимки към статията в PNAS

Експериментът е проведен по следния начин. Култура от дрожди е посадена в десет лабораторни чинийки. След това, във всека от 10-те линии направили селекция за "многоклетъчност", ежедневно отделяйки най-ниската част на културата. Рецептата е както следва: първо се разклаща, след което се оставя да постои в продължение на 45 минути, да се утаи, оставяйки за разсаждане клетките от най-ниските10 мл на дъното. Тъй като са клетъчни агрегати по-тежки от единичните клетки, те ще се утаяват по-бързо. Затова в дъното на разтвора концентрацията на клетъчните агрегати става все по-висока. В резултат на подбора във всички епруветки, след 2 месеца са нараствали най-вече клетъчните агрегати, микробиолозите нарекли получения фенотип "снежинки". Всъщност, клетъчните агрегати, въпреки че не притежават строгата симетрия на снежинките, все пак показват приблизителна централна симетрия и имат разклонени израстъци, така че името е подходящо. Генотипът на това новообразувание се оказал стабилен: когато спрели подбора за многоклетъчност, (продължили да присаждат клетки, но от добре смесен разтвор), дрождите все още формирали фенотип на снежинки.

(Минути на растеж) Процесът на делене на клъстера, снимките (с изключение на втората) са направени на интервали от 1 час; стрелката показва отделянето на дъщерния клъстер. От статията в PNAS

Снежинките теоретично може да се получат по два начина. Първо, за сметка на сливането на единични клетки и второ поради липсата на отделяне след клетъчното делене. Целият процес на образуване на агрегатите е сниман, така че можете да го видите

В допълнение, помогнали и биохимични тестове с различно оцветяване на клетъчните структури (клетки в снежинката се свързат в местата на образуването на израстъците на дъщерните клетки). Недвусмислено се доказва, че многоклетъчните снежинки произхождат от втория начин: клетките не се разпръскват след делене. Достигайки определен размер, клъстерът отделя многоклетъчен потомък, а дъщерният клъстер по диаметър е по-малък от родителския три до пет пъти.

Правилата на играта на дъщери и майки са се развили, както се оказа, заедно с размера на клъстерите. Колкото по-голям е клъстера, толкова по-лошо се хранят централните клетки и следователно, толкова по-бавно расте клъстера. Следователно, броят на потомците му ще намалява с увеличаване на клъстера. Все пак, увеличението в броя на потомството е най-висшата цел на всеки организъм. Следователно, на новия многоклетъчно организъм му се налага да измисли начин хем да расте бързо, хем да оставя много потомци. В хода на подбора, този начин е намерен: да се увеличи броя на клетките, подложени на апоптоза, т.е. клетъчно самоубийство. Мъртвите клетки се превръщат в слабото звено в клетъчните връзки, като по този начин се улеснява отделянето на дъщерните клъстери. Апоптозата е често срещано явление за дрождите, но тук тя придобива ново значение. В резултат на това при многоклетъчните дрожди се появява своеобразно разделение на функциите: Някои от клетките се размножават, а други жертват възможността да оставят собствени потомци и умират за доброто на другите.

Източник: William C. Ratcliff, R. Ford Denison, Mark Borrello, Michael Travisano. Experimental evolution of multicellularity // PNAS. 2012. Published online 17 January.