バクテリアにおけるゲノムの簡素化の影響

ゲノムの簡素化って、不要な遺伝子を生物のDNAから取り除いて、よりシンプルな遺伝的構造を作る方法なんだ。これは多くの小さな生き物、特に安定して豊かな環境で暮らすやつらに自然に起こることが多いんだ。そういう環境では、生存に必要ないプロセスを助ける遺伝子が失われることがある。でも、このプロセスが自然でどうやって起こるのか、まだ完全には理解できてないんだ。私たちが知っていることの大部分は、特定の細胞の中で生きる生物のゲノムを見て、それを自由に生きる生物と比べることで得られている。

科学者たちは、ゲノムの簡素化を研究するために2つの主要な方法を使っている。一つはトップダウンアプローチで、自由に生きる生物から始めて、必要のない遺伝子を徐々に取り除いていく方法。これは多くの細菌や真菌で成功して、遺伝子の量を大幅に減らすことに成功したよ。もう一つはボトムアップアプローチで、DNAをゼロから作り出してミニマムな染色体を形成し、それを細胞に入れて新しい生物を作る方法。これを使って、特定の細菌の小さなゲノムを持つ系統を作ることができたんだ。

streamlined genomes（簡素化されたゲノム）は合成生物学に役立つってみんな思ってる。特定の環境で有害になる可能性のある遺伝子を取り除くことで、望ましい結果を出すように生物を調整できるんだ。例えば、科学者たちは細菌の特定の遺伝子を削除して、彼らの生存確率を上げたり、抗生物質やタンパク質のような有用な物質の生産を増やしたりしている。これらの生物の構造を簡素化することで、彼らがどんな行動をとるか予測しやすくなることもあるよ、特に特定の遺伝子の未知の機能に関して。

でも、遺伝子を取り除くことにはデメリットもある。必要ないと思われる遺伝子でも、生物が生き残るのを助ける重要な役割を果たしていることがあるんだ。「クワジエッセンシャル」遺伝子を失うと、ストレスに耐えられなくなったり、全体的な遺伝子の発現に影響が出たりすることがある。研究者がゲノムの大きな部分を取り除くと、個別で見ると重要でなさそうな遺伝子でも、より大きなネットワークの一部として考えると重要なものを失うリスクがある。場合によっては、これらの削除が生物の死につながることもある。

遺伝子の削除から来るフィットネスの低下に対処するために、科学者たちは「ラボ進化」と呼ばれる方法を使って、生物が力を取り戻すのを助けている。つまり、改変された生物を時間をかけて成長させ進化させることで、失った遺伝子を補う新しい突然変異が発生することがあるんだ。このアプローチは単一遺伝子の削除にはうまくいくことが示されているけど、一度に多くの遺伝子を取り除いた場合にどうなるかは不明なんだ。

#研究の概要

この研究では、遺伝子を減らすように改変されたアシネトバクター・バイリ（Acinetobacter baylyi）の8つの系統を調べた。これらの系統を、複雑な成長条件（栄養が豊富）と定義された成長条件（より基本的なもの）の二つの異なる条件で進化実験にかけた。少なくとも17個の不要な遺伝子が取り除かれた系統に焦点を当て、削除された遺伝子のタイプに偏りがないようにした。最初は、多くの系統がフィットネスに欠陥を示し、先祖と比べて生存が難しい状態だった。

それでも、実験が進むにつれてほとんどの系統はフィットネスが改善された。進化した系統のゲノムをシーケンスして、どんな変化があったのかを確認した。最もよく見られる突然変異は、遺伝子発現を調整するネットワークに現れた。これらの突然変異の多くは、削除された遺伝子の影響を相殺するようで、改変された系統が環境に適応しやすくなった。

#減少したゲノムの変異株とフィットネス

遺伝子を取り除くことが細菌にどのように影響するかをよりよく理解するために、以前のバージョンのアシネトバクター、ADP1-ISxを使っていくつかの系統を作った。私たちは、複数の遺伝子削除を行ってゲノムを簡素化することを目指した。単一の遺伝子のストレッチが取り除かれた系統や、複数の部分が削除された系統を成功裏に作成できた。これにより、さまざまな削除がそれぞれの系統のフィットネスにどのように影響するかを評価することができた。

フィットネスレベルを測定するために、改変された系統を、緑色蛍光タンパク質（GFP）タグを持つ元の系統（ADP1-ISx）と競争させるテストを実施した。この競争は、複雑なメディアと定義されたメディアの両方で行われた。結果は、改変された系統が一般的に先祖系統と比べてフィットネスが低下していることを示し、使用されたメディアによっていくつかの違いが見られた。

栄養が豊富な環境では、特定の系統がフィットネスレベルが著しく低いことを示した。データは、大きな削除が一般的により大きなフィットネスの欠陥を引き起こすことを示し、重要な機能が削除プロセスで失われた可能性があるという考えを確認した。

#系統の進化

遺伝子削除後に系統が回復できるかどうかを見るために、約300世代進化させることにした。私たちは、少量の培養液を定期的に新しいメディアに移すプロセスを繰り返した。この進化の期間が終わった後、個々のコロニーを選んでさらなるテストを実施した。

進化した系統がADP1-ISx-GFPに対してどのようにパフォーマンスを発揮するかを見るために、さらなる競争テストを行った。結果は、ほとんどの系統が進化を通じてフィットネスを得たことを示し、初期状態よりも一般的に改善された。しかし、一部の系統はフィットネスレベルを回復せず、特定の遺伝子削除が進化だけでは修正できない持続的な損傷を引き起こした可能性があることを示唆している。

進化中に現れた突然変異は、遺伝子機能にさまざまな影響を与えた。中にはDNA配列の単純な変化を含むものもあれば、特定の遺伝子を完全に無効にするような変化を引き起こすものもあった。例えば、rndという遺伝子に影響を与える突然変異は、特にある成長条件で進化した系統の中で一般的だった。

#特定の突然変異とその影響

進化した系統で現れた突然変異の種類を調べて、その役割をよりよく理解することにした。最も頻繁に突然変異が見られた遺伝子はrndで、これは細菌がRNAを管理する能力に重要な役割を果たすことが知られている。

面白いことに、rndの突然変異は定義されたメディアで育てられた系統でより頻繁に見られた。一方で、他の遺伝子の突然変異は複雑なメディアで育てられた系統でより多く見られた。これは、環境がどの突然変異が細菌にとって有益になるかに影響を与えることを示している。

さらに、特定の突然変異が削除された遺伝子に密接に関連していることも観察された。同じ先祖系統から来た多数の系統が似たような突然変異を示していて、それが削除によって生じた機能喪失を補うためである可能性があることが示唆されている。

特定の遺伝子の突然変異を探すだけでなく、これらの変化がどれだけ速く起こったかも評価した。突然変異の割合は、異なる系統や環境でほぼ同じだった。しかし、一部の先祖系統には突然変異率のバリエーションがあり、これは遺伝的背景がゲノム削減後の適応能力に影響を与える可能性を示唆している。

#フィットネスの変化を分析

さらに深く分析した結果、一部の系統は遺伝子削除後にフィットネスの大幅な向上を示さなかった。例えば、ある系統（MGD9）は、ある環境で大きなフィットネス欠陥があり、進化の後でも改善されなかった。対照的に、MGD12系統はrndがノックアウトされたときにフィットネスが低下したが、以前には成功した進化の過程に関わっていた。

この不一致は、ラボ進化がフィットネスを改善するのに役立ちそうだけど、すべての系統が突然変異から同じように利益を得られるわけではないことを浮き彫りにした。削除の性質や遺伝的背景が、各系統が時間とともにどのように適応するかに重要な役割を果たしているようだ。

#フィットネスの回復と遺伝子の洞察

全体的に、進化実験は多くの系統が失ったフィットネスを回復できることを示し、遺伝子削除の影響についてより多くのことを学ぶことができた。プロセスを通じて、特定の遺伝子が繰り返し突然変異するのを見てきて、フィットネス回復の戦略にはしばしば似たような経路が関与していることがわかった。

例えば、さまざまな突然変異がAbsR28小RNAと遺伝子rpoDに関連していて、これは遺伝子がどのようにオン・オフされるかを調整するのに重要なんだ。遺伝的背景による突然変異は異なる場合があるかもしれないけど、遺伝子喪失に対するコアな反応には、多くの系統に共通点があったことが明らかになった。

遺伝子削除が異なる系統の適応能力にどのように影響を与えたかも調べた。データは、進化が一部の遺伝子喪失を補うことができるとはいえ、どこまでそれができるかには限界があることを示している。一部の系統は、他のゲノムの突変では簡単に置き換えられない重要な機能を失ったみたいだ。

#結論

この研究は、ゲノムの簡素化とラボ進化の可能性と課題を強調している。アシネトバクター・バイリのゲノムの複雑さを減少させることでフィットネス回復の有望な経路を示した一方で、このプロセスに関わる複雑さも浮き彫りにされた。

重要な突然変異の役割を理解し、それがフィットネスの改善にどう貢献するかを知ることで、合成生物学の将来の取り組みに役立つことができる。生存に重要な役割を果たす遺伝子がどれかを認識すること、そしてそれらを取り除くことが生物の全体的な堅牢性にどのように影響するかを理解することが大切だ。これからの研究者たちは、フィットネスの利益をもたらす突然変異を特定しつつ、広範な遺伝子削除の潜在的な欠点にも注意を払うことができる。

これらのテーマを探求し続けることで、科学者たちはさまざまな用途に向けてより効率的な微生物を作り出すことを目指し、遺伝子工学と微生物の適応能力の理解をさらに進めていくことができる。