原始细胞的形状究竟是怎样的呢？科学家们一直在思考这个问题，同时设计出了多种模拟原始生命和细胞的模型，其中被广泛研究的是内部包裹着多种遗传物质的脂肪酸成份来源的细胞样囊泡。油酸（Oleic acid）被认为是早期生命利用的碳源之一，油酸囊泡（OAVs）是脂肪酸囊泡的代表模型，也因此被用于模拟原始环境的优良原料。考虑到原始生命的简单性以及球形囊泡或油滴的热动力学特性，科学家们通常假设原始细胞是近球形的，但在活细胞研究水平上仍然缺乏强有力的实验证据。
大肠杆菌作为最简单的现代生物的模型，遗传背景清晰，具有稳定的杆状形态。在感受诸如饥饿状态等外界压力时，常以伸长等非球形形态变化应激。另外，大肠杆菌也能利用油酸作为碳源维持其正常生长。基于这些研究背景，华东师范大学生命科学学院生物与信息科学实验室（LBIS）四方哲也教授课题组提出了一个大胆的实验构想。“棒状的大肠杆菌在富含油酸囊泡的实验室模拟的原始环境中进化后会有形状变化么？会变圆么？形状变化需要多长时间呢？”。为回答以上问题，本研究使用OAVs替代常用的葡萄糖作为唯一碳源，探索大肠杆菌是否能够适应以及如何适应富含OAVs的最小培养基环境，同时观察了大肠杆菌的形态变化。
实验中我们选取了基因组精简版的大肠杆菌（MDS42ΔgalK::Ptet-gfp-kan）菌株。该菌株稳定表达绿色荧光蛋白，可用量化成像流式细胞仪（IFC）来进行细胞监测和群体分析。本研究利用OAVs或葡萄糖作为唯一碳源的最小培养基培养大肠杆菌，分别进行了6组独立的进化实验（L#，G#）。基于IFC监测分析每天继代的细菌浓度，形态变化，蛋白表达量等。其中6组进化实验（L#：L31，32，9~12）来自于同一祖先（Ori），在OAVs为唯一碳源的培养基中进化500代，各自的生长速率逐渐增加（图1A）。这6个种群（L#）的适应度普遍提高，表明大肠杆菌能够利用OAVs作为碳源，这可能是对富含脂肪酸囊泡的原始类环境的适应。相比之下，葡萄糖作为唯一碳源的平行进化实验（G#：G31，32，9~12）的生长速率高于OAV组，但与OAV的动态变化相似（图1A）。有趣的是，进化后的细菌（G#，L#）和原始菌（Ori）生长速率的倍数变化在OAVs和葡萄糖组之间不显著（p=0.1），表明在OAVs存在的情况下，其适应度的提高幅度与葡萄糖存在情况下适应度的提高幅度相当。可以推断，在实验室条件下模拟原始环境中的碳源，诱导现代细菌进化是可行的，且与常规的以糖为碳源的实验进化具有可比性（图1B）。细菌的形状通过横纵比进行评估，横纵比代表细胞的长轴与短轴的比值，所以横纵比越接近1，细胞的形状越接近球形。结果表明，在OAV的进化谱系（L#）中，细胞群体的平均横纵比逐渐增加，而在葡萄糖的进化谱系（G#）中则不完全相同（图1C）。虽然不论是在OAV还是葡萄糖中，进化实验都提高了其横纵比（Evo/Ori > 1），但OAVs的变化幅度显著（p=0.01）大于葡萄糖（图1B）。
图1 大肠杆菌生长速率和形态进化
扫描电镜图的结果进一步证实了细胞形态的变化（图2），在葡萄糖中进化的细菌（G#）保持棒状，类似于原始菌（Ori）。相比之下，在OAVs中进化的细菌（L#）均比Ori更短更粗，有些细胞几乎是球形的，且球形形状也与碳源是OAVs或葡萄糖无关。总结得出，在代谢葡萄糖时保持棒状的大肠杆菌，一旦适应了OAVs为唯一碳源的培养环境，形状就有向球形转变的趋向性。
图2 扫描电子显微镜（SEM）下展现的细菌形态
实验结果证实了大肠杆菌在实验室模拟的原始环境中，细胞形状发生了改变，那么在基因层面是否有形状关联的基因发生变化呢？进一步通过基因组重测序分析发现，在L#的6个进化谱系中发生的突变基因数量大致相同，表明它们之间的进化压力相当。一种常见的遗传策略是改变参与转录和翻译的基因（图3，蓝色）。蛋白质生物合成突变的富集支持了一种假设，即从原始生命到现代生命的进化过程中发生了无数翻译机制、遗传密码等方面的演变。此外，实验结果还揭示了大肠杆菌在进化过程中改变细胞形状的不同策略。在L31，L32，L12菌株中发生了干扰细菌细胞壁合成的相关基因的突变，mrdB、mrdA和mreC基因分别负责肽聚糖的生物合成，调节细胞形状和棒状的形成，它们可能直接使细胞形状从棒状变为球形。但在L9，L10，L11中并没有发现类似直接与形状相关的基因突变（图3，红色）。我们认为，细胞结构相关基因在进化过程中被优先定位是合理的，因为它们在生命早期是缺失的，基本可以被考虑排除在最小基因组之外，即它们对原始细胞来说不是必需的。还有一点值得注意的是，本研究中阐述的直接和间接的基因突变策略也适用于细菌在生长适应度、细胞形状的进化动力学以及形态水平上的解释。
图3 不同的遗传改变策略
本研究提供了在模拟原始碳源环境体系的实验室环境中，杆状细菌转变为球形的直接实验证据。如果杆状性状归因于进化的细胞壁和其他细胞结构，那么从杆状到球形的反向变化则可以被认为是现代细胞所使用的完善细胞结构被破坏。细胞形状适应度递增变化的实验进化可以被认为是某种程度上的形态退化。种类繁多的突变表明原始生命进化过程中各种各样的遗传策略。未来的基因重建可能会为细胞适应脂肪酸囊泡环境所发生的形态变化提供合理的解释。目前的研究为球形细胞在原始环境中的生长益处提供了合理的理解，有力地支持了原始细胞是球形这一推测。最新的研究也支持原始细胞（LUCA）的卵形和早期细菌（LBCA）的杆状形态。未来结合人造细胞和遗传物质的研究，期待可以更加充分地阐明原始细胞的可能形状。
华东师范大学为该论文的第一完成单位。生命科学学院博士研究生卢慧为论文的第一作者，夏阳助理工程师和徐剑副研究员参与了本研究，华东师范大学四方哲也教授和日本筑波大学应蓓文副教授为论文的共同通讯作者。该工作主要得到了科技部“合成生物学”重点专项的资助。