[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的实验框架，结合祖先序列重建、合成生物学和实验进化，以在实验室中回溯并重演分子进化。通过复活古老的生物分子并使其在受控条件下进化，该研究实现了对蛋白质功能轨迹中进化偶然性与确定性的直接经验检验。

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.

研究动机与目标

• 通过实验重现古老的分子进化，以研究历史偶然性在塑造进化轨迹中的作用。
• 克服传统实验设计的局限性，这些局限性使得无法直接观察古老生物分子的进化重演。
• 将祖先序列重建与合成生物学相结合，以在现代细胞环境中复活功能性的古老蛋白质。
• 利用实验进化观察复活的古老生物分子在受控实验室条件下的演化过程。
• 厘清确定性力量与历史偶然性在分子进化中的贡献。

提出的方法

• 使用系统发育推断和分子钟模型重建祖先蛋白序列。
• 在现代宿主系统（例如大肠杆菌）中合成并表达复活的祖先基因，以产生功能性的古老蛋白质。
• 在定义的选择压力下，对复活的祖先生物分子进行长期实验进化。
• 通过连续传代和受控环境条件，模拟实验室中的进化时间。
• 在多个时间点对进化种群进行测序，以追踪遗传和功能变化。
• 比较不同重复系之间的进化轨迹，以评估可重现性与偶然性。

实验结果

研究问题

• RQ1 古老生物分子的进化轨迹在多大程度上可以在实验室内被重演并重现？
• RQ2 历史偶然性在复活的祖先蛋白中如何影响进化路径的分歧？
• RQ3 在受控选择条件下，确定性力量在塑造古老生物分子功能进化中起什么作用？
• RQ4 在实验进化过程中，祖先蛋白的功能和结构特性如何变化？
• RQ5 能否利用该实验系统对分子进化中偶然性与确定性的相互作用进行经验量化？

主要发现

• 该实验系统成功实现了古老生物分子的复活与实验室进化，证明了重演进化历史的可行性。
• 复活的祖先蛋白的重复系表现出趋同与分歧的进化轨迹，表明确定性与偶然性均起作用。
• 在进化系中观察到功能逆转与适应，其在选择条件下的适应度有可测量的提升。
• 进化种群中的遗传变化与适应性进化一致，包括祖先蛋白关键功能位点的突变。
• 该方法表明，即使从相同的祖先序列出发，历史背景仍显著影响进化结果。
• 合成生物学与实验进化的整合提供了一个可扩展的平台，可用于实时检验进化假说。