Le monde serait très différent sans les organismes multicellulaires – enlevez les plantes, les animaux, les champignons et les algues, et la Terre start à ressembler à une version in addition humide et as well as verte de Mars. Mais la manière précise dont les organismes multicellulaires ont évolué à partir d’ancêtres unicellulaires reste mal comprise. La changeover s’est produite il y a des centaines de tens of millions d’années, et les premières espèces multicellulaires sont en grande partie perdues à bring about de l’extinction.
Pour étudier remark la vie multicellulaire évolue à partir de rien, des chercheurs du Ga Institute of Engineering ont décidé de prendre l’évolution en main. Dirigée par William Ratcliff, professeur agrégé à l’École des sciences biologiques et directeur du programme interdisciplinaire d’études supérieures en biosciences quantitatives, une équipe de chercheurs a lancé la première expérience d’évolution à extended terme visant à faire évoluer de nouveaux sorts d’organismes multicellulaires à partir d’ancêtres unicellulaires dans le laboratoire.
Au cours de 3 000 générations d’évolution en laboratoire, les chercheurs ont observé que leur organisme modèle, la “levure flocon de neige”, commençait à s’adapter en tant qu’individus multicellulaires. Dans une recherche publiée dans Mother nature, l’équipe montre remark la levure flocon de neige a évolué pour être physiquement plus forte et as well as de 20 000 fois in addition grande que son ancêtre. Ce kind d’évolution biophysique est une issue préalable au type de vie multicellulaire de grande taille que l’on peut voir à l’œil nu. Leur étude est le leading rapport majeur sur l’expérience en cours sur l’évolution à lengthy terme de la multicellularité (MuLTEE), que l’équipe espère mener pendant des décennies.
“Conceptuellement, ce que nous voulons comprendre, c’est remark de simples groupes de cellules évoluent en organismes, avec une spécialisation, une croissance coordonnée, des comportements multicellulaires émergents et des cycles de vie – ce qui différencie un tas d’écume d’étang d’un organisme able de évolution », a déclaré Ratcliff. “Comprendre ce processus est un objectif majeur de notre domaine.”
L’expérience d’évolution à prolonged terme de la multicellularité
Ozan Bozdag, chercheur et ancien chercheur postdoctoral dans le groupe de Ratcliff et leading auteur de l’article, a lancé le MuLTEE en 2018, en commençant par la levure de flocon de neige unicellulaire. Bozdag a cultivé la levure dans des incubateurs à agitation et chaque jour sélectionné pour une croissance as well as rapide et une in addition grande taille de groupe.
L’équipe a sélectionné la taille de l’organisme auto toutes les lignées multicellulaires ont commencé petites et simples, et beaucoup ont évolué pour devenir moreover grandes et plus robustes au fil du temps. On pense que la capacité de développer des corps grands et résistants joue un rôle dans l’augmentation de la complexité, auto elle nécessite de nouvelles improvements biophysiques. Cependant, cette hypothèse n’avait jamais été testée directement en laboratoire.
Au cours d’environ 3 000 générations d’évolution, leur levure a évolué pour previous des groupes as well as de 20 000 fois moreover grands que leur ancêtre. Ils sont passés d’être invisibles à l’œil nu à la taille de mouches à fruits, contenant as well as d’un demi-million de cellules. La levure de flocon de neige individuelle a développé de nouvelles propriétés matérielles : bien qu’elles aient commencé in addition faibles que la gélatine, elles ont évolué pour être aussi fortes et résistantes que le bois.
Nouvelles variations biophysiques
En étudiant remark la levure flocon de neige s’est adaptée pour devenir moreover grande, les chercheurs ont observé que les cellules de levure elles-mêmes s’allongeaient, réduisant la densité des cellules emballées dans le groupe. Cet allongement cellulaire a ralenti l’accumulation de anxiety de cellule à cellule qui provoquerait normalement la fracture des grappes, permettant aux groupes de s’agrandir. Mais ce fait à lui seul n’aurait dû entraîner que de petites augmentations de la taille et de la ténacité multicellulaire.
Pour découvrir les mécanismes biophysiques précis qui ont permis la croissance à une taille macroscopique, les chercheurs ont dû regarder à l’intérieur des grappes de levure pour voir remark les cellules interagissaient physiquement. Les microscopes à lumière normale étaient incapables de pénétrer dans les grands groupes densément peuplés. Les chercheurs ont donc utilisé un microscope électronique à balayage pour imager des milliers de tranches ultrafines de la levure, ce qui leur a donné leur structure interne.
“Nous avons découvert qu’il existait un mécanisme physique totalement nouveau qui permettait aux groupes de se développer jusqu’à cette très, très grande taille”, a déclaré Bozdag. “Les branches de la levure s’étaient enchevêtrées – les cellules de la grappe ont développé un comportement semblable à celui de la vigne, s’enroulant les unes autour des autres et renforçant toute la composition.”
En sélectionnant simplement la taille de l’organisme, les chercheurs ont découvert comment tirer parti du mécanisme biomécanique de l’enchevêtrement, qui a fini par rendre la levure approximativement 10 000 fois as well as résistante en tant que matériau.
“L’enchevêtrement a déjà été étudié dans des systèmes totalement différents, principalement dans des polymères”, a déclaré Peter Yunker, professeur agrégé à l’École de physique et co-auteur de l’article. “Mais ici, nous voyons l’enchevêtrement à travers un mécanisme entièrement différent – la croissance des cellules plutôt que simplement à travers leur mouvement.”
L’observation de l’enchevêtrement a marqué un tournant dans la compréhension des chercheurs de l’évolution des groupes multicellulaires simples. En tant qu’organisme multicellulaire flambant neuf, la levure flocon de neige ne possède pas les mécanismes de développement sophistiqués qui caractérisent les organismes multicellulaires modernes. Mais après seulement 3 000 générations d’évolution en laboratoire, la levure a compris comment conduire et coopter l’enchevêtrement cellulaire en tant que mécanisme de développement.
Des recherches préliminaires sur d’autres champignons multicellulaires montrent qu’ils forment également des corps multicellulaires hautement enchevêtrés, ce qui suggère que l’enchevêtrement est un trait multicellulaire répandu et important dans cette branche de la vie multicellulaire.
“Je suis vraiment ravi d’avoir un système modèle où nous pouvons faire évoluer la vie multicellulaire précoce sur des milliers de générations, en exploitant la puissance impressionnante de la science moderne”, a déclaré Ratcliff. “En principe, nous pouvons comprendre tout ce qui se passe, de la biologie cellulaire évolutive aux characteristics biophysiques qui sont directement sous sélection.”
Pendant longtemps, les humains ont travaillé avec la biologie pour faire évoluer de nouvelles choses – du maïs que nous mangeons aux chiens domestiques, aux poulets et aux pigeons d’exposition. Selon Ratcliff, ce que fait leur équipe n’est pas si différent.
“En mettant le doigt sur l’échelle de l’évolution d’un organisme unicellulaire, nous pouvons comprendre remark ils ont évolué en des organismes multicellulaires progressivement as well as complexes et intégrés, et nous pouvons étudier ce processus en cours de route”, a-t-il déclaré. “Nous espérons que ce n’est que le leading chapitre d’une longue histoire de découverte multicellulaire alors que nous continuons à faire évoluer la levure flocon de neige dans le MuLTEE.”