Il mimetismo primordiale induce cambiamenti morfologici nell'Escherichia coli

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 24 (2022) Citare questo articolo

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La morfologia delle cellule primitive è stata oggetto di ricerche approfondite. Negli studi prebiotici si presumeva comunemente una forma sferica, ma mancavano prove sperimentali nelle cellule viventi. Non è chiaro se e come sia cambiata la forma delle cellule viventi. Qui abbiamo esposto il batterio Escherichia coli a forma di bastoncino a un regime di utilizzo delle risorse che imita un ambiente primordiale. L’oleato è stato somministrato come nutriente prebiotico modello di facile utilizzo, poiché le vescicole di acidi grassi erano probabilmente presenti sulla Terra prebiotica e avrebbero potuto essere utilizzate come risorsa energetica. Sei linee evolutive sono state generate in condizioni prive di glucosio ma ricche di vescicole di acido oleico (OAV). Curiosamente, l’aumento della forma fisica era comunemente associato al cambiamento morfologico da bastoncino a sfera e alla diminuzione sia delle dimensioni che del rapporto area/volume della cellula. La forma cellulare modificata è stata conservata negli OAV o nel glucosio, indipendentemente dai compromessi nell’utilizzo del carbonio e nell’abbondanza di proteine. Mutazioni altamente differenziate presenti nel genoma hanno rivelato due distinte strategie di adattamento a condizioni ricche di OAV, ovvero colpire direttamente o meno la parete cellulare. Il cambiamento nella morfologia cellulare dell'Escherichia coli per l'adattamento alla disponibilità di acidi grassi supporta l'ipotesi della primitiva forma sferica.

Esplorare la forma delle cellule primitive è fondamentale per comprendere l'origine della vita, poiché limita globalmente le caratteristiche fisiche e chimiche di una cellula1,2. Gli studi sull'origine della vita si sono generalmente concentrati sulle reazioni biochimiche con elementi costitutivi molecolari nella chimica prebiotica e sull'essenzialità dell'informazione genetica nella biologia sintetica3,4,5,6. I possibili percorsi verso l'origine della vita e l'ulteriore sviluppo verso l'ultimo antenato comune universale (LUCA) sono stati studiati intensamente7,8,9. La riuscita sintesi dei polinucleotidi da singoli nucleotidi10 e la replicazione del DNA/RNA all'interno delle vescicole11,12 ha rivelato i meccanismi mediante i quali i componenti biochimici funzionano nelle protocellule. La costruzione riuscita di genomi sintetici13,14,15 e di genomi ridotti16,17,18,19 ha esplorato i requisiti genetici minimi delle cellule moderne. Questi studi hanno fornito intuizioni fruttuose e modelli preziosi riguardanti gli elementi costitutivi e i requisiti genetici, possibilmente per le cellule primitive; tuttavia, la morfologia primitiva è stata poco studiata.

La forma primitiva della cellula rimane sconosciuta. Alcune morfologie, ovvero forme e/o dimensioni, sono cruciali per la vita cellulare, poiché forniscono uno spazio chiuso affinché gli elementi costitutivi funzionino correttamente e affinché i materiali genetici svolgano le loro funzioni biologiche1,20,21. Considerando la semplicità degli elementi costitutivi responsabili della vita cellulare primitiva, è stata ipotizzata una struttura sferica che è stata impiegata per decenni in protocellule modello negli studi sull'origine della vita. Questo è il motivo per cui i compartimenti di forma sferica, ad esempio vescicole e goccioline22,23,24, sono comunemente usati per imitare le protocellule25,26,27. Tuttavia, il motivo per cui una cellula primitiva potrebbe essere stata sferica e se le sfere fossero energeticamente o termodinamicamente preferite dalle cellule primitive sono ancora questioni aperte. Poiché si presume che una cellula primitiva non avesse parete cellulare, avrebbe potuto assumere facilmente una forma sferica, come il protoplasto approssimativamente sferico. Inoltre, le forme delle cellule moderne, ad esempio i batteri, sono state studiate basandosi solo sull'omologia del genoma28. Come una delle dimostrazioni sperimentali, i batteri della forma L hanno mostrato morfologie irregolari dovute a carenze nella parete cellulare29,30. La maggior parte dei batteri moderni è dotata di macchinari per la sintesi delle membrane31, che devono essere sorti durante l'evoluzione per mantenere la loro forma, ad esempio la forma a bastoncino, in diversi generi microbici. Di conseguenza, la cellula primitiva senza alcuna membrana e/o parete cellulare evoluta potrebbe aver avuto una forma sferica32, ma sono necessarie prove sperimentali sulla forma delle cellule primitive.

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>