[논문 리뷰] Towards the Recapitulation of Ancient History in the Laboratory: Combining Synthetic Biology with Experimental Evolution

Betül Kaçar, Éric C. Gaucher|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 23.

Protein Structure and Dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고대 단백질의 분자 진화를 실험적으로 뒤로 돌리고 반복하는 데 성공한 새로운 실험 프레임워크를 소개한다. 고대 생물분자들을 재생하고 제어된 조건에서 진화시키는 방식으로, 단백질의 기능적 궤적에서 진화의 우연성과 필연성의 역할을 직접적으로 실험적으로 검증할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 고대 분자 진화를 재현함으로써 역사적 우연성이 진화 궤적을 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.
• 전통적인 실험 설계의 한계를 극복하여 고대 생물분자에서 진화의 반복을 직접 관찰할 수 있도록 하기 위해.
• 공통 조상 서열 복원 기법을 합성 생물학과 융합하여 현대 세포 환경에서 功能적 고대 단백질을 재생하기 위해.
• 실험적 진화를 통해 재생된 고대 생물분자가 제어된 실험실 조건에서 어떻게 진화하는지 관찰하기 위해.
• 분자 진화에서 필연적 힘과 역사적 우연성의 기여를 분리하여 분석하기 위해.

제안 방법

• 계통 발생 추론 및 분자 시계 모델을 사용하여 고대 단백질 서열을 복원한다.
• 현대의 숙주 시스템(예: E. coli)에 재생된 고대 유전자를 합성 및 발현하여 功能적 고대 단백질을 생성한다.
• 정의된 선택 압력 하에서 재생된 고대 생물분자를 장기적인 실험적 진화에 노출시킨다.
• 연속적 배양와 제어된 환경 조건을 사용하여 실험실에서 진화 시간을 시뮬레이션한다.
• 다양한 시간 지점에서 진화하는 집단을 시퀀싱하여 유전적 및 기능적 변화를 추적한다.
• 복제된 계열 간의 진화 궤적을 비교하여 재현성과 우연성의 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고대 생물분자의 진화 궤적은 실험실에서 얼마나 잘 재현되고 반복될 수 있는가?
• RQ2 역사적 우연성이 재생된 고대 단백질의 진화 경로 분리에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 제어된 선택 조건 하에서 고대 생물분자의 기능적 진화를 형성하는 데 필연적 힘이 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 실험적 진화 과정에서 고대 단백질의 기능적 및 구조적 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 실험적 시스템을 통해 분자 진화에서 우연성과 필연성의 상호작용을 실증적으로 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 실험 시스템은 고대 생물분자의 재생과 실험실 내 진화를 성공적으로 가능하게 하여 진화 역사 재현의 가능성을 입증하였다.
• 재생된 고대 단백질의 복제 계열들은 수렴적이고 분리된 진화 궤적을 보였으며, 이는 필연성과 우연성의 역할을 동시에 시사한다.
• 진화한 계열에서는 기능적 역전과 적응이 관찰되었으며, 선택 조건 하에서 적합도 향상이 측정되었다.
• 진화한 집단의 유전적 변화는 적응적 진화와 일치했으며, 고대 단백질의 핵심 기능 부위에서의 돌연변이가 포함되었다.
• 이 접근법은 심지어 동일한 고대 서열에서 출발하더라도 역사적 맥락이 진화 결과에 상당한 영향을 미친다는 것을 드러냈다.
• 합성 생물학과 실험적 진화의 융합은 실시간으로 진화 가설을 테스트할 수 있는 확장 가능한 플랫폼을 제공하였다.