Mimetismo primordial induz mudança morfológica em Escherichia coli

Biologia da Comunicação volume 5, Número do artigo: 24 (2022) Cite este artigo

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A morfologia das células primitivas tem sido objeto de extensa pesquisa. Uma forma esférica era comumente presumida em estudos prebióticos, mas faltava evidência experimental em células vivas. Se e como a forma das células vivas mudou não está claro. Aqui expusemos a bactéria em forma de bastonete Escherichia coli a um regime de utilização de recursos que imita um ambiente primordial. O oleato foi dado como um modelo de nutriente prebiótico fácil de usar, já que as vesículas de ácidos graxos provavelmente estavam presentes na Terra prebiótica e podem ter sido usadas como um recurso energético. Seis linhagens evolutivas foram geradas sob condições livres de glicose, mas ricas em vesículas de ácido oleico (OAV). Curiosamente, o aumento da aptidão foi comumente associado à mudança morfológica da haste para a esfera e à diminuição do tamanho e da relação área-volume da célula. A forma alterada da célula foi conservada em OAVs ou glicose, independentemente das compensações na utilização de carbono e abundância de proteínas. Mutações altamente diferenciadas presentes no genoma revelaram duas estratégias distintas de adaptação a condições ricas em OAV, ou seja, atingir diretamente a parede celular ou não. A mudança na morfologia celular de Escherichia coli para adaptação à disponibilidade de ácidos graxos suporta a suposição da forma esférica primitiva.

Explorar a forma das células primitivas é crucial para entender a origem da vida, pois restringe globalmente as características físicas e químicas de uma célula1,2. Os estudos sobre a origem da vida geralmente se concentram em reações bioquímicas com blocos de construção moleculares na química pré-biótica e na essencialidade da informação genética na biologia sintética3,4,5,6. Possíveis rotas para a origem da vida e posterior desenvolvimento em direção ao último ancestral comum universal (LUCA) foram intensamente estudadas7,8,9. A síntese bem-sucedida de polinucleotídeos a partir de nucleotídeos únicos10 e a replicação de DNA/RNA dentro de vesículas11,12 revelaram os mecanismos pelos quais os componentes bioquímicos funcionam nas protocélulas. A construção bem-sucedida de genomas sintéticos13,14,15 e genomas reduzidos16,17,18,19 explorou os requisitos genéticos mínimos das células modernas. Esses estudos forneceram insights frutíferos e modelos valiosos sobre os blocos de construção e requisitos genéticos, possivelmente para células primitivas; no entanto, a morfologia primitiva tem sido pouco estudada.

A forma da célula primitiva permanece desconhecida. Certas morfologias, ou seja, formas e/ou tamanhos, são cruciais para a vida celular, pois fornecem um espaço fechado para que os blocos de construção funcionem adequadamente e para que os materiais genéticos desempenhem suas funções biológicas1,20,21. Considerando a simplicidade dos blocos de construção responsáveis pela vida celular primitiva, uma estrutura esférica foi assumida e tem sido empregada em modelos de protocélulas por décadas em estudos sobre a origem da vida. É por isso que compartimentos de forma esférica, por exemplo, vesículas e gotículas22,23,24, são comumente usados para mimetizar protocélulas25,26,27. No entanto, por que uma célula primitiva pode ter sido esférica e se as esferas eram energeticamente ou termodinamicamente preferidas por células primitivas ainda são questões em aberto. Como se supõe que uma célula primitiva não tinha parede celular, ela pode ter assumido uma forma esférica facilmente, como o protoplasto aproximadamente esférico. Além disso, as formas das células modernas, por exemplo, bactérias, têm sido estudadas com base apenas na homologia do genoma28. Como uma das demonstrações experimentais, bactérias em forma de L apresentaram morfologias irregulares devido a deficiências na parede celular29,30. A maioria das bactérias modernas possui maquinaria de síntese de membrana31, que deve ter surgido durante a evolução para manter sua forma, por exemplo, a forma de bastonete, em vários gêneros microbianos. Consequentemente, a célula primitiva sem qualquer membrana e/ou parede celular evoluída poderia ter uma forma esférica32, mas são necessárias evidências experimentais sobre a forma das células primitivas.

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>