[論文レビュー] Towards the Recapitulation of Ancient History in the Laboratory: Combining Synthetic Biology with Experimental Evolution

Betül Kaçar, Éric C. Gaucher|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2012

Protein Structure and Dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、系統発生的推定と合成生物学、実験的進化を組み合わせた画期的な実験的枠組みを提案し、ラボ内で分子進化を逆行・再再生する。古代の生物分子を蘇生させ、制御された環境下で進化を経験させることで、タンパク質機能的経路における進化的偶然性と必然性を直接的・実証的に検証可能となる。

ABSTRACT

One way to understand the role history plays on evolutionary trajectories is by giving ancient life a second opportunity to evolve. Our ability to empirically perform such an experiment, however, is limited by current experimental designs. Combining ancestral sequence reconstruction with synthetic biology allows us to resurrect the past within a modern context and has expanded our understanding of protein functionality within a historical context. Experimental evolution, on the other hand, provides us with the ability to study evolution in action, under controlled conditions in the laboratory. Here we describe a novel experimental setup that integrates two disparate fields - ancestral sequence reconstruction and experimental evolution. This allows us to rewind and replay the evolutionary history of ancient biomolecules in the laboratory. We anticipate that our combination will provide a deeper understanding of the underlying roles that contingency and determinism play in shaping evolutionary processes.

研究の動機と目的

• 実験的に古代の分子進化を再現することで、歴史的偶然性が進化的経路に与える影響を調査すること。
• 従来の実験設計では古代の生物分子における進化の再現観察が困難であるという制限を克服すること。
• 系統的配列再構築と合成生物学を統合し、現代の細胞内環境で機能的な古代タンパク質を蘇生させること。
• 実験的進化を用いて、蘇生された古代の生物分子が制御されたラボ条件下でどのように進化するかを観察すること。
• 分子進化における必然的要因と歴史的偶然性の寄与を解明すること。

提案手法

• 系統発生的推定と分子時計モデルを用いて古代タンパク質配列を再構築する。
• 現代の宿主系（例：E. coli）に蘇生された古代遺伝子を合成・発現させ、機能的な古代タンパク質を生成する。
• 定義された選択的圧力下で、蘇生された古代の生物分子を長期にわたり実験的進化にさらす。
• 連続移代と制御された環境条件を用いて、ラボ内での進化的時間を模擬する。
• 複数の時間点で進化する集団をシーケンシングし、遺伝的および機能的変化を追跡する。
• 複数の相同系統間での進化的経路を比較し、再現性と偶然性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古代の生物分子の進化的経路は、どの程度ラボ内で再現可能で再現可能なのか？
• RQ2 歴史的偶然性は、蘇生された古代タンパク質の進化的経路の分岐にどのように影響するのか？
• RQ3 制御された選択条件下で、必然的要因が古代の生物分子の機能的進化に果たす役割は何か？
• RQ4 実験的進化の過程で、古代タンパク質の機能的および構造的性質はどのように変化するのか？
• RQ5 この実験的システムを用いて、分子進化における偶然性と必然性の相互作用を実証的に定量化できるか？

主な発見

• この実験的システムは、古代の生物分子の蘇生とラボ内での進化を成功裏に可能とし、進化の歴史を再現可能であることを示した。
• 蘇生された古代タンパク質の相同系統は、収束的かつ発散的進化的経路を示したため、必然性と偶然性の両方が関与していることが示された。
• 進化した系統では機能的逆転と適応が観察され、選択的条件下で適合度が測定可能に向上した。
• 進化した集団における遺伝的変化は、適応的進化と整合的であり、古代タンパク質の主要機能部位における突然変異が確認された。
• このアプローチにより、同じ古代配列から出発しても、歴史的文脈が進化の結果に顕著に影響することを明らかにした。
• 合成生物学と実験的進化の統合により、リアルタイムで進化の仮説を検証可能なスケーラブルなプラットフォームが提供された。