A földi élet történetében legalább 20 alkalommal – de lehetséges, hogy jóval többször is – egy egysejtű élőlény többsejtűvé vált, nagyobb és összetettebb organizmussá lépve elő elődeinél. Néhány alkalommal ez a többsejtűség odáig fajult, hogy idővel növények, állatok, gombák és moszatok alakultak ki az egykori egysejtűből. Ezen organizmusokban a sejtek különböző funkciójú szövetekbe kezdtek összeállni, eltérő feladatokra specializálódva. Szívizomsejtek, fotoszintetizáló sejtek és ivarsejtek lettek belőlük, amelyek továbbadják génjeiket a következő generációnak.
Az egysejtű lét egyszerűségéhez képest, amely nagyjából kimerül abban, hogy a sejt táplálkozik, osztódik, majd mindezt megismétli, a többsejtűség sokkal bonyolultabbnak választásnak tűnik, amely tele van veszélyes kompromisszumokkal és buktatókkal. Az evolúció kutatásának egyik nagy kérdése, hogy milyen körülmények bátoríthatták arra az egysejtűeket, hogy mégis ezt az utat válasszák, ráadásul többször is.
William Ratcliff, a Georgia Tech biológusa és kollégái ezt a kérdést szerették volna megválaszolni, amikor laborjukban egysejtűekből próbáltak többsejtű létformákat létrehozni. A kísérlet sikeres volt, alig két év alatt az egysejtű élesztőgombákból sikerült makroszkopikusan is látható, többsejtű rendszereket létrehozni. A kísérlet eredményei azt mutatják, hogy ezek az átmenetek megfelelő körülmények között meglepően könnyedén mennek végbe. Az továbbra is kérdés, hogy a laborban növesztett struktúrákban idővel a differenciálódás is beindul-e, de a vizsgálat már most is nagyon érdekes eredményeket kínál annak jobb megértésével kapcsolatban, hogyan alakulhatott ki a Földön a többsejtű élet.
Egyedi hópelyhek
Ratcliff, Michael Travisano és a Minnesotai Egyetem kutatói csaknem egy évtizeddel ezelőtt már nagy port kavartak a tudományterületen egy érdekfeszítő kísérlettel. Ratcliff az élesztőgombák közti kooperációt és szimbiózist kutatta doktori tanulmányai alatt, és érdekelni kezdte, hogy vajon lehetséges-e ezt odáig fokozni az egysejtű gombák közt, hogy azok többsejtűként viselkedjenek.
Ehhez első körben Travisanóval fogták a táptalajon növekvő élesztőgombákat tartalmazó csöveket, megrázták ezeket, majd azokat a sejteket, amelyek a leggyorsabban ülepedtek le a cső aljára, új kultúrákhoz adták hozzá. Aztán azokat is felrázták, és ismét leválogatták a gyorsan ülepedő sejteket.
A procedúrát 60 napig ismételgették, és az eljárással sikerült elősegíteniük, hogy a sejtek apró csomókba álljanak össze. Az egymáshoz tapadó sejtek jobban bírták a kutatók által kifejtett szelekciós nyomást, így az erre hajlamosabb élesztőgombák válogatódtak ki generációról generációra. Mint a közelebbi vizsgálatokból kiderült, az előny egyetlen mutációhoz köthető: az ACE2 nevű transzkripciós faktor egy variánsa miatt az ilyen sejtek osztódás után nem váltak szét, hanem együtt maradtak, így nehezebbek voltak, és gyorsabban lesüllyedtek a cső aljára.
Ez a változás ráadásul többször is megtörtént a kísérlet során. 30 ismétlés után még csak egy csőben jelentek meg a csomók, 60 ismétlés után viszont már minden csőben jelen voltak az összetapadó sejtek. A struktúrákat a kutatók hópelyheknek nevezték el a mikroszkópban látottak alapján, az élesztő ezen variánsát pedig hópehely-élesztőnek.
A kísérlet ugyan mellékszálként indult, de hamar központi szerepet kapott Ratcliff kutatásaiban, aki időközben olyan szakértőkkel kezdett együtt dolgozni, mint Eric Libby, az Umeåi Egyetem matematikai biológusa, és Mathew Herron, a Georgia Tech kutatója. Közben Ratcliff is a Georgia Techen kezdett dolgozni, ahol addigra egy változatos területekről érkező szakértőkből álló kutatócsoport próbáltak megfejteni, hogyan jelent meg a többsejtű élet a bolygón.
A többsejtűség előnyei és hátrányai
Többsejtű életformákként szervezetünk nagyon sokféle szerkezetű és funkciójú sejtből épül fel, és számunkra megkérdőjelezhetetlenül előnyösnek tűnik a komplexitás. De a fosszilis bizonyítékok alapján a földi élet évmilliárdokig egysejtű volt, és napjainkban is sokkal több egysejtű él a bolygón, mint többsejtű. A többsejtűségnek ugyanis megvannak a maga hátrányai: az egyes sejtek elveszítik önállóságukat, és a többiekhez vannak láncolva. Együtt élnek, és együtt is pusztulnak el. És ha testi és nem ivarsejtként teszik mindezt, még arról is le kell mondaniuk, hogy génjeiket közvetlenül továbbörökítsék az új generációnak.
Ott van továbbá a versengés kérdése is, vagyis hogy az azonos fajba tartozó egysejtűek hajlamosak versengeni az erőforrásokért. A többsejtűség felé tendáló rendszerek erről lemondanak, ami azt sugallja, hogy a komplexitásnak olyan előnyei vannak, amelyek túlszárnyalják a már említett hátrányokat és kockázatokat. De melyek lehetnek ezek?
Az egyik opció, hogy a nagyobb sejtcsoportokat nehezebb megenni. Roberta Fisher, az Amszterdami Egyetem kutatója és Stefania Kapsetaki, az Oxfordi Egyetem kutatója egymástól függetlenül megmutatták, hogy a moszatok és a baktériumok a mikroszkopikus ragadozókkal szembeni védekezés részeként hajlamosak csoportokba tömörülni.
Egy másik potenciális előny, hogy a többsejtű organizmus bizonyos körülmények között jobban tud mozogni és/vagy táplálékot szerezni, mint egysejtűként.
Ezt egyes moszatok rendszeresen demonstrálják, amikor a környezeti körülményekhez igazodva többsejtű telepekbe állnak össze, majd ismét egysejtűekként folytatják életüket. A galléros ostorosok, az állatok legközelebbi egysejtű rokonai, szintén képesek kollektív viselkedésre, például olyan formákba állnak össze, amely hatékonyabb helyváltoztatást tesz lehetővé.
A többsejtű szervezetek sejtjei esetében ugyanakkor a többsejtűség nem választás kérdése: vagy többsejtűekként viselkednek, vagy elpusztulnak. Az evolúció során tehát egy ponton egyirányúvá vált az út, vagyis megszűnt annak a lehetősége, hogy a csoportba összeálló sejtek felbomoljanak. Ratcliff és más kutatók is arra keresik a választ, hogy ez miért és milyen körülmények között történhetett meg.
A szakértő és kollégái az elmúlt 10 évben tovább folytatták a hópehely-élesztőkkel való kísérletezést, egyre hosszabb távlatokban vizsgálva, mivé fejlődhetnek az összetapadt sejtek. Vajon, ha elég időt kapnak, még nagyobbra nőnek a csomók? Esetleg differenciálódni is kezdenek bennük a sejtek?
Oxigén nélkül az igazi
A kutatás évekig nem hozott újabb áttörést, ugyanis bár a többsejtű állapotot könnyű volt elérni az élesztőgombákkal, a csomók mikroszkopikusan maradtak, akármivel is próbálkoztak a szakértők. Végül Ozan Bozdağ, Ratcliff egyik kollégája jött rá a megoldásra, ami meglepő módon az oxigén megvonása volt.
Az oxigén általában nagyon hasznos az élőlények számára, mivel a jelenlétében a sejtek nagyon gazdaságosan tudják bontani a cukrokat, amelyekből sok energiát nyernek. Ha nincs elég oxigén, a cukrokat erjeszteni kell, ami jóval kevésbé előnyös energetikailag. Ratcliff és társai évekig oxigén jelenlétében tenyésztették az élesztőgombákat, Bozdağ viszont azt javasolta, hogy próbálják meg anélkül is.
Bozdağ három különböző csoportnyi hópehely-élesztővel vágott bele a kísérletek újabb körébe. Két csoport tudott oxigént hasznosítani, a harmadik viszont egy mutáció miatt erre nem volt képes. Minegyik csoportot 5 egyforma csőbe adagolták, és így helyezték a rázógépbe. Az élesztőgombákat percenként 225-ször rázták meg, és naponta egyszer hagyták leülepedni 3 percre. Ezt követően az ennek során leülepedő sejtekből kezdtek új kultúrát, amit aztán visszahelyeztek a rázógépbe.
Bozdağ 2020 minden napján, majd 2021-ben is folytatta a kísérletet. Az első 100 nap alatt a sejtcsomók mérete minden csőben duplájára nőtt. A méret növekedése átlagosan a 250. nap körül megállt, kivéve két oxigént nem használó csőben, ahol a növekedés tovább folytatódott.
A 350. nap körül aztán Bozdağ észrevette, hogy az egyik ilyen csőben szabad szemmel is látszik valami: makroszkopikusan is észlelhető csomók jelentek meg.
A kutató ekkor még azt hitte, hogy ez is vakvágány lesz, véletlenül ugyan kialakulhattak szokatlanul nagy csomók, de a kicsik idővel biztos elnyomják majd ezeket. Aztán a nagy méretű csomók a második csőben is megjelentek. A 400. nap környékén a három másik oxigénhiányos csőben is beindult valami, és a csomók mérete növekedni kezdett. Rövidesen a csoport mind az öt csövében szabad szemmel látható struktúrák jelentek meg, amelyek mérete akár az eredeti csomók 20 ezerszeresét is elérte. Bozdağ ekkor már a telefonjával is le tudta fotózni a szerkezetek, rég nem volt szüksége mikroszkópra.
Alakuló sejtek
De miért gátolta az oxigén a sejtcsoportok gyarapodását? Az oxigén adott ütemben diffundál a sejtekbe, így ahogy a csoportok növekednek, a belül lévő sejtekhez egyre lassabban ér el, ha egyáltalán eljut odáig. Így bár a nagyobb sejtcsomóknak evolúciós előnye volt a kisebbekkel szemben ebben a kísérletben, az oxigén megfelelő hasznosítása érdekében a sejtek limitálták a csomók méretét, ahelyett, hogy lemondtak volna az oxigénről. Az oxigénfüggetlen mutánsok esetében viszont semmi sem gátolta a növekedést.
Nem a méret volt azonban az egyetlen eltérés az oxigénes és az oxigénfüggetlen csoportok sejtcsomói között. Mikroszkóppal vizsgálva világossá vált, hogy maguk a sejtek is megváltoztak.
Egyre megnyúltabb formát vettek fel, és míg az első csomókban még csak lazán tapadtak egymáshoz, a nagyobb csomókban sokkal erősebbé vált köztük a kapcsolat.
A végére a sejtek közti kötődés ereje az eredeti 10 ezerszeresére nőtt. Ráadásul a hópelyhek nyúlványai is egymásba gabalyodtak, így a darabok akkor is együtt maradtak, ha a sejtek közti kapcsolat helyenként megszakadt a rázás hatására.
Mindez biofizikai szemszögből azt sugallja, hogy egy egysejtű organizmus képes állandósult, nagy méretű, többsejtű szerkezetté fejlődni, amely nem bomlik fel, ha megváltoznak a körülmények. Ez azért izgalmas, mert a teóriák szerint a nagyobb, tartós sejtcsoportok a differenciálódás előfeltételei. J. T. Bonner evolúcióbiológus 14 évvel ezelőtt megmutatta, hogy minél nagyobb egy többsejtű organizmus, annál több sejttípusból épül fel. Az volt az elmélete, hogy ennek az az oka, hogy a nagyobb testméret fokozottabb komplexitást igényel.
A hópelyhes kísérletek egyébként magukban is jól mutatják, hogyan teheti szükségessé a nagyobb méret a differenciálódást.
Ahogy a sejtcsoport minden osztódással egyre nagyobbra nő, egyre inkább csak a külső nyúlványok érintkeznek a külvilággal, ezek találkoznak a tápanyagokkal és a veszélyekkel is. A belső sejtek ezzel szemben kevesebb közvetlen táplálékhoz jutnak, de cserébe stresszmentesebb az életük.
Elképzelhető, hogy ilyen körülmények között a külső és a belső sejtek eltérően kezdenek viselkedni. Például megváltozik az anyagcseréjük sebessége, vagy vastagabb sejtfalakat növesztenek, hogy jobban bírják a fizikai nyomást. Vagy esetleg csatornákat alakítanak ki, hogy a tápanyagok belülre is eljussanak.
A többsejtűségtől a differenciációig
Ezek a változások ugyanakkor minden generációban elölről kezdődnek a hópelyhekben, arra ugyanis még nem volt példa, hogy a többsejtűséget és a differenciálódást együttesen sikerült volna reprodukálni laborkörülmények között. Az eddigi legközelebbi vonatkozó eredményről 2012-ben számoltak be Ratcliff és kollégái. A kutatók azt figyelték meg, hogy egy többsejtű szerkezetben két nyúlvány elágazásánál egyszerűen elpusztultak a sejtek. Ettől a nyúlványok leváltak, és saját sejtcsomókként kezdtek új életet. A kutatók szerint ez már a differenciálódás felé vezető út egyik fontos lépése lehet, hiszen a jelek szerint a sejtek maguktól adták fel életüket azért, hogy a csoport többi tagja előnyökhöz jusson.
Paul Rainey, a Max Planck Evolúcióbiológiai Intézet kutatója és munkatársai ugyanakkor azt is igazolták, hogy a Pseudomonas baktérium szintén képes többsejtű csoportokat alkotni, amelyekben a sejtek alakja és viselkedése is megváltozik, elkülönül. Ez a fajta változás azonban visszafordítható. A valódi differenciációt tehát nem mindig könnyű elkülöníteni az átmenetitől.
Hogy ennél egyértelműbb differenciálódást sikerülhet-e a laborban reprodukálni, az továbbra is kérdés, de ahogy az élesztőgombák tovább evolválódnak, biztosan fognak mér érdekes dolgok történni. Bozdağ és Ratcliff szívük szerint még legalább 20–30 évig folytatnák a kísérletet, közben folyamatosan nézve, hogy mi sül ki belőle.
Ratcliff maga is meglepődött a sikeren, évek sikertelen próbálkozásai után azt hitte, hogy sosem jutnak túl az 1000 sejt körüli csomókon. Most azonban látszólag nincs határa a növekedésnek, így mindenki kíváncsian várja, hogyan alakulnak a dolgok a következő években.
„Ilyen lehetőség egyszer adódik az életben. Végre megpróbálhatunk egy új, a többsejtűség határán levő organizmust a komplexitás felé segíteni. Meglátjuk, meddig jutunk”
– mondja Ratcliff.
