Ursprüngliche Mimikry induziert morphologische Veränderungen in Escherichia coli

Kommunikationsbiologie Band 5, Artikelnummer: 24 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Morphologie primitiver Zellen war Gegenstand umfangreicher Forschung. Eine kugelförmige Form wurde in präbiotischen Studien allgemein angenommen, es fehlten jedoch experimentelle Beweise in lebenden Zellen. Ob und wie sich die Form lebender Zellen veränderte, ist unklar. Hier haben wir das stäbchenförmige Bakterium Escherichia coli einem Ressourcennutzungssystem ausgesetzt, das eine ursprüngliche Umgebung nachahmt. Oleat wurde als einfach zu verwendender präbiotischer Modellnährstoff angegeben, da Fettsäurebläschen wahrscheinlich auf der präbiotischen Erde vorhanden waren und möglicherweise als Energiequelle genutzt wurden. Sechs evolutionäre Abstammungslinien wurden unter glukosefreien, aber an Ölsäurevesikeln (OAV) reichen Bedingungen erzeugt. Interessanterweise war die Steigerung der Fitness häufig mit der morphologischen Veränderung von Stäbchen zu Kugel und der Abnahme sowohl der Größe als auch des Verhältnisses von Fläche zu Volumen der Zelle verbunden. Die veränderte Zellform blieb entweder in OAVs oder in Glucose erhalten, unabhängig von den Kompromissen bei der Kohlenstoffverwertung und der Proteinhäufigkeit. Hochdifferenzierte Mutationen im Genom zeigten zwei unterschiedliche Strategien der Anpassung an OAV-reiche Bedingungen, dh entweder direkt auf die Zellwand abzielend oder nicht. Die Veränderung der Zellmorphologie von Escherichia coli zur Anpassung an die Verfügbarkeit von Fettsäuren stützt die Annahme der primitiven Kugelform.

Die Erforschung der Form primitiver Zellen ist für das Verständnis des Ursprungs des Lebens von entscheidender Bedeutung, da sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften einer Zelle insgesamt einschränkt1,2. Studien zum Ursprung des Lebens konzentrierten sich im Allgemeinen auf biochemische Reaktionen mit molekularen Bausteinen in der präbiotischen Chemie und die Wesentlichkeit genetischer Information in der synthetischen Biologie3,4,5,6. Mögliche Wege zum Ursprung des Lebens und zur weiteren Entwicklung hin zum letzten universellen gemeinsamen Vorfahren (LUCA) wurden intensiv untersucht7,8,9. Die erfolgreiche Polynukleotidsynthese aus einzelnen Nukleotiden10 und die DNA/RNA-Replikation innerhalb von Vesikeln11,12 enthüllten die Mechanismen, nach denen biochemische Komponenten in Protozellen wirken. Durch die erfolgreiche Konstruktion synthetischer Genome13,14,15 und reduzierter Genome16,17,18,19 wurden die minimalen genetischen Anforderungen moderner Zellen untersucht. Diese Studien lieferten fruchtbare Erkenntnisse und wertvolle Modelle hinsichtlich der Bausteine und genetischen Anforderungen, möglicherweise für primitive Zellen; Die primitive Morphologie wurde jedoch nur wenig untersucht.

Die ursprüngliche Zellform bleibt unbekannt. Bestimmte Morphologien, d. h. Formen und/oder Größen, sind für das Zellleben von entscheidender Bedeutung, da sie einen geschlossenen Raum bieten, in dem Bausteine ordnungsgemäß funktionieren und genetisches Material seine biologischen Funktionen erfüllen kann1,20,21. Angesichts der Einfachheit der Bausteine, die für das primitive Zellleben verantwortlich sind, wurde eine kugelförmige Struktur angenommen, die seit Jahrzehnten in Modellprotozellen für Studien zur Entstehung des Lebens eingesetzt wird. Aus diesem Grund werden üblicherweise kugelförmige Kompartimente, z. B. Vesikel und Tröpfchen22,23,24, zur Nachahmung von Protozellen25,26,27 verwendet. Warum eine primitive Zelle möglicherweise kugelförmig war und ob Kugeln von primitiven Zellen energetisch oder thermodynamisch bevorzugt wurden, ist jedoch noch offene Fragen. Da angenommen wird, dass eine primitive Zelle keine Zellwand hatte, könnte sie leicht eine Kugelform angenommen haben, wie der ungefähr kugelförmige Protoplast. Darüber hinaus wurden die Formen moderner Zellen, z. B. Bakterien, ausschließlich auf der Grundlage der Genomhomologie untersucht28. Als einer der experimentellen Nachweise zeigten L-Form-Bakterien aufgrund von Mängeln in der Zellwand unregelmäßige Morphologien29,30. Die meisten modernen Bakterien verfügen über eine Membransynthesemaschinerie31, die während der Evolution entstanden sein muss, um in mehreren mikrobiellen Gattungen ihre Form, z. B. die Stäbchenform, beizubehalten. Dementsprechend könnte die primitive Zelle ohne entwickelte Membran und/oder Zellwand eine kugelförmige Form gehabt haben32, es sind jedoch experimentelle Beweise für die Form primitiver Zellen erforderlich.

Um solche experimentellen Beweise zu erhalten, wurde als Versuch der Devolution eine experimentelle Evolution mit modernen lebenden Zellen im Labor durchgeführt, die durch die Nachahmung des Ressourcenregimes ursprünglicher Umgebungen induziert wurde33. Zunächst wurden Ölsäurevesikel (OAVs) als einfach zu verwendender präbiotischer Modellnährstoff hinzugefügt, um die in ursprünglichen Umgebungen verfügbaren Ressourcen nachzuahmen. Die chemische Zusammensetzung der ursprünglichen Umgebung für das Wachstum primitiver Zellen blieb umstritten34,35. Es wurde angenommen, dass die ersten zellulären Lebensformen die umgebenden Fettsäurevesikel für ihr Wachstum verbrauchen, wenn leicht biologisch abbaubare kleine Moleküle in der präbiotischen Suppe aufgebraucht waren36,37. Fettsäurevesikel waren wahrscheinlich die Hauptbestandteile der präbiotischen Erde38 und wurden als Modellmembranen von Protozellen übernommen39. Als repräsentatives Modell für Fettsäurevesikel können Ölsäurevesikel (OAVs) als eine Kohlenstoffressource für das frühe Leben eingesetzt werden. Zweitens wird E. coli als Zellmodell verwendet, da es das repräsentativste Bakterium der stabilen Stabform ist40,41. Die morphologische Veränderung von E. coli vom Stäbchen zum Filament wird als Stressreaktion auf Hungern beschrieben42, was darauf hindeutet, dass E. coli in der Lage ist, seine Form zu ändern, wenn eine schlecht angepasste Ressourcennutzung auftritt. Darüber hinaus wächst E. coli schlecht auf Ölsäure, die für andere Modellbakterien tödlich ist, z. B. Bacillus subtills43,44,45,46. Dieses Ergebnis zeigt, dass die evolutionäre Anpassung von E. coli an OAVs (als Derivate der Ölsäure) innerhalb des experimentellen Zeitrahmens erreichbar ist. Schließlich wurden bei der experimentellen Entwicklung von E. coli OAVs als einzige Kohlenstoffquelle eingesetzt und ersetzten die üblicherweise verwendete Glukose. In der vorliegenden Studie haben wir untersucht, ob und wie sich E. coli in einer OAV-reichen Umgebung anpasst. Wir untersuchten auch, wie sich die Zellmorphologie während der experimentellen Evolution unter dieser Bedingung verändert.

Der Labor-E.-coli-Stamm MDS42ΔgalK::Ptet-gfp-kan wurde als Zellmodell verwendet, da das IS-freie kleine Genom von MDS42 für eine präzise Genom-Resequenzierungsanalyse von Vorteil war und chromosomal eingebautes GFP (grün fluoreszierendes Protein) als praktisches Modell geeignet war Indikator zur Zellerkennung und Populationsanalyse. Wir haben über etwa 500 Generationen hinweg sechs E. coli-Populationen in mit Glucose oder OAV ergänzten Medien entwickelt (Abb. 1A und ergänzende Daten 1). Der serielle Transfer wurde unter Beibehaltung der exponentiellen Wachstumsphase durchgeführt (ergänzende Abbildung 1A), und die täglichen Kulturen wurden einer bildgebenden Durchflusszytometrie unterzogen, um die Zellkonzentration, Zellmorphologie und zelluläre Proteinhäufigkeit quantitativ zu bewerten (ergänzende Abbildung 1B). Die sechs Abstammungslinien (L31, 32, 9~12), ausgehend von einem gemeinsamen Urheber (Ori), steigerten im Laufe der Generationen in Gegenwart von OAVs allmählich ihre Wachstumsrate (Abb. 1A, oben). Die allgemein verbesserte Fitness der sechs Populationen (L#) zeigte, dass E. coli-Zellen in der Lage waren, OAVs als Kohlenstoffquelle zu nutzen, was wahrscheinlich eine Anpassung an die primordialähnliche Umgebung war, die reich an Fettsäurevesikeln ist. Im Vergleich dazu zeigte die parallele experimentelle Entwicklung der Glukose (G31, 32, 9~12) höhere Wachstumsraten als in den OAV-Gruppen, aber eine ähnliche Dynamik wie in den OAV-Gruppen (Abb. 1A, unten). Interessanterweise entsprach das Ausmaß der Fitnessverbesserung in Gegenwart von OAVs dem in Glukose (Abb. 1B, oben), da die fachen Änderungen der Wachstumsraten der entwickelten (Evo) und ursprünglichen (Ori) Populationen zwischen ihnen nicht signifikant waren OAV- und Glukosegruppen (p = 0,1). Dies zeigte, dass die experimentelle Evolution eines modernen Bakteriums im Labor, die durch Nachahmung der Kohlenstoffverfügbarkeit einer ursprünglichen Umgebung induziert wurde, anwendbar und mit der Evolution in einer regulären Umgebung mit Zucker als Kohlenstoffquelle vergleichbar war.

A Veränderungen in der Wachstumsrate. Eine von drei Kulturen unterschiedlicher Verdünnung wurde für den folgenden seriellen Transfer ausgewählt. Zur Beurteilung zeitlicher Veränderungen wurde die Wachstumsrate der ausgewählten Kultur herangezogen. Die logarithmische Regression der zeitlichen Änderungen wird durch die rote durchgezogene Kurve dargestellt. B-Falten-Änderungen im Wachstum und in der Zellform, vermittelt durch experimentelle Evolution. Die oberen und unteren Felder stellen die Faltungsänderungen der Wachstumsrate bzw. des Seitenverhältnisses dar. Die Faltungsänderungen wurden als Verhältnisse zwischen den Endpunktpopulationen (L# und G#) und den Ori berechnet. Boxplots zeigen die Verteilungen der Faltungsänderungen, wobei die sechs Abstammungslinien durch offene Kreise gekennzeichnet sind. Die statistische Signifikanz wird mit den p-Werten angegeben. C Veränderungen in der Zellform. Die Zellform, dh das Seitenverhältnis, der übertragenen Zellpopulationen wird im Vergleich zu denen in (A) gezeigt. Die Mittelwerte und Standardabweichungen wurden aus 10.000 Zellen berechnet, die einer bildgebenden Durchflusszytometrie unterzogen wurden, und werden durch horizontale bzw. vertikale schwarze Linien dargestellt. Die logarithmische Regression der zeitlichen Änderungen wird durch die rote durchgezogene Kurve dargestellt. Die Bezeichnungen der sechs Abstammungslinien, die sich in OAVs (L#) und Glucose (G#) entwickelt haben, sind angegeben.

Es wurde analysiert, ob die verbesserte Wachstumsfitness mit morphologischen Veränderungen verbunden war. Die Zellform wurde anhand des Seitenverhältnisses bewertet, das das Längenverhältnis der Haupt- zur Nebenachse der Zelle darstellte; Das heißt, je näher das Seitenverhältnis bei 1 lag, desto kugelförmiger war die Zelle. Ein allmählicher Anstieg des mittleren Seitenverhältnisses der Zellpopulation (L#) wurde häufig in den in OAVs entwickelten Abstammungslinien beobachtet (Abb. 1C, oben), anders als bei den in Glucose entwickelten Abstammungslinien (G#) (Abb. 1C, unten). Obwohl die experimentelle Entwicklung das Aspektverhältnis unabhängig von der Kohlenstoffquelle erhöhte (fache Änderungen von Evo zu Ori > 1), war das Ausmaß der Änderung bei OAVs signifikant größer (p = 0,01) als bei Glucose (Abb. 1B, unten). . Die Zellmorphologie wurde durch Einzelzellbildgebung weiter bestätigt (Abb. 2 und ergänzende Abb. 2). Die Zellen, die sich in Glucose (G#) entwickelten, behielten eine Stäbchenform bei (Abb. 2B), ähnlich der von Ori-Zellen (Abb. 2A). Im Gegensatz dazu waren die in OAVs entwickelten Exemplare alle kürzer und dicker als die in Ori entwickelten Exemplare, und einige von ihnen waren nahezu kugelförmig, unabhängig davon, ob sie in OAVs oder in Glucose gezüchtet wurden (Abb. 2C). Diese Ergebnisse zeigen, dass stäbchenförmige E. coli, die im Allgemeinen ihre Form beibehalten, während sie Glukose verstoffwechseln, nach der Anpassung an OAVs näher an die Kugelform herankamen.

A Einzelzellbilder des Ori sowohl in Glukose als auch in OAVs. B Die sechs Abstammungslinien, die sich entweder in Glucose oder OAVs (C) entwickelt haben, werden auf zwei Größenskalen dargestellt. Maßstabsbalken werden angezeigt. Die oberen und unteren Felder in (C) zeigen die Abstammungslinien, die sich in OAVs entwickelt haben, die neu in OAVs bzw. Glucose gezüchtet wurden.

Nur die Zellform war stark mit den Fitnesssteigerungen koordiniert, obwohl die Schwankung anderer morphologischer Merkmale, dh der Oberfläche und des Volumens der Zelle, während der Evolution auftrat (ergänzende Abbildung 3). Die Änderungen der Wachstumsrate korrelierten stark mit denen des Seitenverhältnisses und der Länge, die allgemein in allen in OAVs entwickelten Abstammungslinien beobachtet wurden (Abb. 3A und ergänzende Daten 2), im Gegensatz zu der schwachen Korrelation in den in Glucose entwickelten Abstammungslinien (Abb . 3B und ergänzende Daten 3). Die Fitnesssteigerung hing eng mit den Veränderungen in der Zellform zusammen, was darauf hindeutet, dass der Verbrauch von OAVs eine Umwandlung der Zellen von Stäbchen in Kugeln erforderte. Insgesamt liefert die Laborumgebung, die das Kohlenstoffregime einer ursprünglichen Umgebung nachahmt, experimentelle Beweise für die Kugelförmigkeit der von Fettsäurevesikeln umgebenen Zellen, was die Spekulation über kugelförmige primitive Zellen auf der präbiotischen Erde stützt.

Die statistische Signifikanz der Korrelationskoeffizienten zwischen zwei beliebigen von sechs Merkmalen, die das Wachstum und die Morphologie repräsentierten, wird in der Heatmap angezeigt. Der Farbverlauf von Gelb nach Blau zeigt die statistische Signifikanz an. Blau und Lila sind von großer Bedeutung. Die sechs Funktionen umfassen Wachstum, Aspekt, Länge, Breite, logArea und logVol. stellen die Wachstumsrate, das Seitenverhältnis, die relative Zelllänge (L), die relative Zellbreite (W) und den Logarithmus der Fläche (A) bzw. des berechneten Zellvolumens (V) dar. Die sechs Abstammungslinien, die sich entweder in OAVs (A) oder in Glucose (B) entwickelt haben, sind angegeben. Die berechneten Daten sind in den Supplementary Data 2 und Supplementary Data 3 zusammengefasst.

Die bei der Anpassung an OAVs erreichte Kugelform schien stabil zu sein, wenn die Zellen in Gegenwart von OAVs und Glucose gezüchtet wurden (Abb. 2C). Daher wurde weiter analysiert, ob die Kugelform im Steady-State aufrechterhalten werden konnte. Die Seitenverhältnisse der sechs in OAVs entwickelten Evos blieben im Steady-State alle größer als die der Ori, unabhängig von der Konzentration der OAVs (0,035–3,5 mM) im Medium (Abb. 4A), was auf konservierte Veränderungen hinweist in Zellform. Veränderungen in der Zellform dieser Evos wurden auch unter Glukose-supplementierten Bedingungen beobachtet. Das Seitenverhältnis dieser Evos blieb bei allen Glukosekonzentrationen größer als das von Ori (0, 105–10, 5 mM, da OAVs dreimal mehr Kohlenstoffatome als Glukose tragen) (Abb. 4B). Die Veränderung der Zellform von Stäbchen zu Kugeln blieb unabhängig von der Kohlenstoffquelle erhalten. Obwohl die experimentelle Entwicklung innerhalb der exponentiellen Wachstumsphase durchgeführt wurde, war es wahrscheinlich, dass die veränderte Morphologie unabhängig von der Wachstumsphase fixiert wurde.

Dargestellt ist die Zellform, dargestellt durch das mittlere Seitenverhältnis, in Gegenwart von OAVs (A) oder Glucose (B). Ori und Evos werden als blaue bzw. farblose Kreise angezeigt. Die grauen Kreise (Abstufung von Hell- nach Dunkelgrau) zeigen die sechs Abstammungslinien an. Standardfehler biologischer Wiederholungen (N > 5) sind angegeben. Die Boxplots des mittleren Seitenverhältnisses, der mittleren Zelllänge, der mittleren logarithmischen Fläche und des Volumens der Zellpopulationen sind jeweils in (C–F) dargestellt. Die einzelnen Tests sind als Kreise angegeben, die den Daten in der ergänzenden Abbildung 4 entsprechen. Die Mediane und die Durchschnittswerte der Wachstumsraten sind als Linien bzw. Kreuze innerhalb der Box dargestellt. Die statistische Signifikanz wird als p-Wert angegeben. Die Bedeutung der Farbvariation wird angegeben.

Darüber hinaus blieben die in OAVs entwickelten E. coli-Zellen unabhängig von der Konzentration der OAVs kürzer und kleiner (dh Fläche und Volumen) als Ori-Zellen (ergänzende Abbildung 4, oben). Der Wechsel zu einer kleineren Größe unter glukosefreien Bedingungen stand im Einklang mit den Erkenntnissen, dass die experimentelle Entwicklung unter glukosereichen Bedingungen dazu neigte, E. coli-Zellen größer anzupassen47. Es wurden hochsignifikante und konservierte Veränderungen in der Zellmorphologie identifiziert, selbst wenn die Evolutionslinien und die OAV-Häufigkeit ignoriert wurden (Abb. 4C – F, oben). Allerdings blieben nur die Veränderungen der Zellform erhalten, nachdem die in OAVs entwickelten E. coli-Zellen mit Glucose gezüchtet wurden (Abb. 4C–F, unten). Die Zelllänge und Zellgröße hingen irgendwie von der Glukosekonzentration ab (ergänzende Abbildung 4, unten). Die Veränderungen der Zellform hin zur Kugelform und nicht andere morphologische Merkmale waren für E. coli von entscheidender Bedeutung, um OAVs als einzige Kohlenstoffquelle zu verwenden. Bisher ist unklar, ob und wie OAVs die Zellmorphologie durch einen durch molekulare Mechanismen vermittelten Stoffwechsel beeinflussen, da sowohl die kurzfristige Entwicklung der OAVs als auch die langfristige Entwicklung der Glukose47,48 Veränderungen in der Zellgröße verursachen. Alternativ könnten die Veränderungen in der Zellform teilweise auf Veränderungen in der Plasmamembrankapazität von E. coli zurückzuführen sein, die durch den Wechsel der Kohlenstoffquelle von Glucose zu OAVs verursacht werden, da die Veränderungen in der Fettsäuresynthese aufgrund einer solchen Ernährungsumstellung Einfluss auf die Kohlenstoffquelle haben könnten Zellhüllenkapazität und beeinflusst dadurch die Zellgröße und -morphologie49.

Es wurde ein evolutionärer Kompromiss bei der Kohlenstoffnutzung festgestellt, da es häufig zu Kompromissen bei der Öko-Evolution50,51 und der experimentellen Evolution52,53 kam. Die Kohlenstoffnutzungseffizienz wurde quantitativ durch die Tragfähigkeit dargestellt, dh die maximale Zellkonzentration (ergänzende Abbildung 5) pro Einheit Kohlenstoffquelle. Die Tragfähigkeiten der Evos (entwickelt in OAVs) zeigten im Vergleich zu denen der Ori einen groben Anstieg bei OAVs und einen Rückgang bei Glucose (Abb. 5A). Obwohl die Kompromisse vom Reichtum der Kohlenstoffquelle abhingen und zwischen diesen Evos leicht unterschiedlich waren, zeigte eine zusätzliche theoretische Analyse mittels kubischer Polynomregression deutlich, dass die Kohlenstoffnutzungseffizienz für OAVs weitgehend verbessert war, für Glukose jedoch abnahm oder unverändert blieb ( Ergänzende Abbildung 6).

A Tragfähigkeit. Die maximale Populationsgröße (Zellen/ml) pro Einheit (mM) Kohlenstoffquelle (OAVs oder Glucose) wird angezeigt. Die Ori und Evos (entwickelt in OAVs) werden als blaue bzw. farblose Kreise angezeigt. Die grauen Kreise (Abstufung von Hell- nach Dunkelgrau) zeigen die sechs Abstammungslinien an. Standardfehler biologischer Replikationen (N > 5) sind angegeben. B Zellproteinreichtum. Die zelluläre Proteinkonzentration wird durch GFP/V auf der logarithmischen Skala dargestellt. Die Ori und Evos (entwickelt in OAVs) werden als grüne bzw. farblose Kreise angezeigt. Die Abstufung von Hell- nach Dunkelgrau weist auf die sechs Abstammungslinien hin. Standardfehler biologischer Wiederholungen (N > 5) sind angegeben.

Der Kompromiss bei der Tragfähigkeit war mit dem Kompromiss bei der zellulären Proteinhäufigkeit verbunden. Die zelluläre Proteinhäufigkeit wurde durch ein kontinuierlich exprimiertes grünes Fluoreszenzprotein (GFP) berichtet, das chromosomal kodiert war54. Der Kompromiss bei der zellulären Proteinhäufigkeit erfolgte in umgekehrter Richtung wie der bei der Kohlenstoffverwertungskapazität; Das heißt, die GFP-Konzentrationen der Evos waren bei OAVs verringert, bei Glucose jedoch im Vergleich zu denen der Ori erhöht (Abb. 5B). Die verringerten GFP-Konzentrationen könnten durch die erhöhten Wachstumsraten aufgrund des Verdünnungseffekts verursacht werden55. Andererseits könnten die GFP-Konzentrationen aufgrund der verringerten Zellgröße der in OAVs entwickelten E. coli-Zellen erhöht sein. Da nicht nur die relative Häufigkeit, sondern auch die Gesamtmenge an GFP durch die Zugabe von OAV verringert wurde (ergänzende Abbildung 7), war es eher die verringerte Proteinbiosynthese (dh Transkription und Translation) als die durch die Wachstumssteigerung verursachte erhöhte Verdünnungsrate verursachte die verringerten Proteinkonzentrationen, als diese Evos OAVs als Kohlenstoffquelle verwendeten. Der Fitnessgewinn könnte auf eine kostengünstige Proteinbiosynthese für einen kostengünstigen Kohlenstoffabbau während des OAV-Konsums zurückzuführen sein.

Das erhöhte Seitenverhältnis wurde wahrscheinlich durch die Änderungen in der Zelllänge verursacht, da die mittlere Länge, dh die Hauptachse der Zelle, kürzer wurde, während die Breite gleich blieb (ergänzende Abbildung 8). Möglicherweise waren es die Veränderungen der Zellgröße, die auf die verkürzte Zelllänge zurückzuführen waren, und nicht der durch die Zellbreite vermittelte Diffusionseffekt, der den Zellen bei der Nutzung von OAVs half. Neben der Zellform (also dem Seitenverhältnis) wurden auch die Oberfläche (A) und das Volumen (V) der Zellen analysiert. Die Flächen-zu-Volumen-Verhältnisse (A/V) wurden durch die OAV-Supplementierung signifikant verringert (Abb. 6A und ergänzende Abb. 9), was darauf hindeutet, dass die Änderungen der Zellform von Stäbchen zu Kugeln die Zellfläche stärker reduzierten als die Zellvolumen. Da angenommen wurde, dass die Kugeln ein kleineres A/V-Verhältnis aufweisen als die Stäbchen56, deuten theoretische Vorhersagen darauf hin, dass sie die Diffusion kleiner Moleküle aus der Umgebung behindern könnten57,58. Es wurde angenommen, dass die Stabform mit ihrem höheren A/V-Verhältnis für die Nutzung kleiner Moleküle, z. B. Glucose, vorteilhaft ist, nicht jedoch für große Moleküle, z. B. Ölsäuren. Alternativ hemmte das kleine A/V-Verhältnis die Nutzung von Fettsäuren nicht58 und die Kugelform war für die Verwendung von OAV neutral. Interessanterweise erhöhten sowohl Ori als auch Evos (entwickelt in OAVs) das A/V-Verhältnis, als eine Kohlenstoffquelle ersetzt werden musste, die an Glukose bzw. OAVs angepasst werden sollte. Wenn sie unter maladaptiven Bedingungen gezüchtet wurden, also die Ori in OAVs und die Evos in Glucose, erhöhten sie alle die A/V-Verhältnisse als Strategie der ersten Wahl für die Anpassung. Die A/V-Verhältnisse der Evos wurden in Glucose erhöht (Abb. 6A, schwarz), um mit dem Verhältnis der Ori in Glucose vergleichbar zu sein. Obwohl bekannt war, dass die Zellen mit der Nährstofferhöhung größer wurden49,59, war unklar, ob der glukosereiche Zustand eine Nährstofferhöhung für die Evos war, die in OAVs entwickelt wurden. Die an OAVs angepassten E. coli-Zellen bevorzugen wahrscheinlich größere A/V-Verhältnisse in Glukose als in OAVs für eine bessere Diffusion von Glukose und damit eine bessere Glukoseverwertung. Das A/V-Verhältnis des Ori wurde unter der OAV-Supplementierung erhöht (Abb. 6A, blau), obwohl dies unvorteilhaft war. Die Erhöhung des A/V-Verhältnisses schien die erste Wahl für die Anpassung zu sein, da die meisten Abstammungslinien in der frühen Evolutionsphase erhöhte A/V-Verhältnisse aufwiesen (ergänzende Abbildung 10).

Ein Boxplot der Flächen-Volumen-Verhältnisse. Dargestellt sind die Ori (blau) und Evos (schwarz), die in Gegenwart von OAVs (schattierte Kästchen) oder Glucose (offene Kästchen) gezüchtet wurden. Die mittleren Flächen-zu-Volumen-Verhältnisse (A/V) der Zellpopulationen (Messungen) sind als Kreise angegeben. Die Mediane und Durchschnittswerte der mittleren A/V-Verhältnisse werden als Linien bzw. Kreuze innerhalb der Box dargestellt. Die statistische Signifikanz wird als p-Wert angegeben. B Wachstumsrate der Glukose. Blau und Schwarz kennzeichnen Ori bzw. Evos. Die Wachstumsraten wiederholter Messungen sind als Kreise angegeben. Die Mediane und die Durchschnittswerte der Wachstumsraten werden als Linien bzw. Kreuze innerhalb der Box dargestellt. Die statistische Signifikanz wird als p-Wert angegeben.

Darüber hinaus führten die leicht, aber deutlich erhöhten A/V-Verhältnisse nicht zu einer Verbesserung der Glukoseverwertung, erhöhten jedoch die Wachstumsrate der Glukose unabhängig von der Glukosekonzentration oder der Evolutionslinie (Abb. 6B und ergänzende Abb. 11). Es war äußerst faszinierend, dass es einen evolutionären Kompromiss bei der Tragfähigkeit, nicht aber bei der Wachstumsfitness gab. Die Anpassung an die Verwendung von OAVs erhöhte die Wachstumsfitness sowohl für OAVs als auch für Glukose, was im Widerspruch zu den evolutionären Kompromissen bei der Wachstumsfitness60,61,62 stand, selbst wenn es sich um denselben E. coli-Stamm handelte63. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die kugelförmige Form Material und Energie für die Membransynthese einsparen könnte, was unter ressourcenarmen Bedingungen oder wenn die Zelle einem energieintensiven Stoffwechsel unterliegt, von Vorteil ist. Wäre die Ressource an Fettsäurevesikeln auf der frühen Erde unzureichend gewesen, hätten die primitiven Zellen möglicherweise von der Kugelform profitiert, indem sie Ressourcen für das Wachstum gespart hätten. Die Nutzung von OAVs könnte ein energieaufwendiger Stoffwechselweg für E. coli sein (als devolvierte Wege in modernen Zellen aufgrund der natürlichen Evolution); Daher muss Evos Kugelformen bevorzugt haben, um ein energiesparendes Wachstum zu erreichen. Wenn morphologische Veränderungen der einfachste Weg sind, den Stoffwechsel zu regulieren, um als Reaktion auf Ernährungsumstellungen ein effizientes Wachstum zu erreichen, ist es vernünftig, dass moderne Zellen molekulare Mechanismen zur Größenkontrolle entwickelt haben, die sich infolgedessen auch auf die Zellform auswirken49. Obwohl die Natur sowohl der primitiven Zelle als auch der ursprünglichen Umgebung unbekannt bleibt, liefert die vorliegende Studie eine unterstützende Demonstration kugelförmiger Protozellen, die in einer ursprünglichen Umgebung wachsen, die reich an Fettsäurevesikeln ist.

Die Veränderung von Stäbchen zu Kugeln bei E. coli war mit einer Vielzahl von Mutationen ohne gemeinsame Mutationen verbunden (Abb. 7), was auf mehrere genetische Strategien für morphologische Veränderungen schließen lässt. Interessanterweise wurde die beobachtete Mutation in drei der sechs Abstammungslinien innerhalb desselben Gens, cAMP-aktivierter globaler Transkriptionsregulator crp64,65, fixiert. Da in anderen Evolutionsexperimenten mit Glucose über Mutationen im Crp berichtet wurde66,67,68, könnte die Transkriptionsregulation durch Crp für die effiziente Nutzung von Kohlenstoffquellen durch E. coli von entscheidender Bedeutung sein. Morphologische Veränderungen müssen mit Veränderungen im Kohlenstoffstoffwechsel verbunden sein, um eine ausgewogene Wachstumsfitness zu erreichen. Obwohl crp ein gemeinsames Mutationsziel von L32, L10 und L12 war, variierten die mutierten Positionen (Ergänzungsdaten 4 und 5). Da es sich bei den Mutationen entweder um nicht-synonyme Substitutionen oder Deletionen handelte (Supplementary Data 4 und 5), die die Genfunktionen störten, müssen sie den mit der Fitnesssteigerung verbundenen Veränderungen der Zellform während der Evolution zugute kommen. In den sechs Abstammungslinien traten ungefähr gleich viele Mutationen auf, was auf einen vergleichbaren Evolutionsdruck zwischen ihnen hinweist.

In den sechs Evos festgestellte Genommutationen sind angegeben. Die wesentlichen Gene sind mit Sternchen gekennzeichnet. Die Gene, die eine Rolle in der Zellstruktur und der zellulären Proteinhäufigkeit spielen, sind rot bzw. blau hervorgehoben. Das mutierte Gen, das in mehreren Abstammungslinien auftrat, ist fett gedruckt. Die Zellformen der ursprünglichen und weiterentwickelten E. coli-Zellen sind unten dargestellt.

Eine gängige genetische Strategie bestand darin, auf die an der Transkription und Translation beteiligten Gene abzuzielen (Abb. 7, blau), was gut mit dem Kompromiss bei der zellulären Proteinhäufigkeit übereinstimmte. Die Anreicherung von Mutationen in der Proteinbiosynthese stützte die Hypothese, dass es während der Entwicklung vom primitiven zum modernen Leben zu unzähligen Innovationen in der Übersetzungsmaschinerie, im genetischen Code usw. kam69. Darüber hinaus wurden vielfältige Strategien zur Veränderung der Zellform festgestellt. Mutationen, die die Zellwandorganisation störten, traten in L31, L32 und L12 auf, jedoch nicht in L9, L10 oder L11 (Abb. 7, rot). Die Gene mrdB, mrdA und mreC, die für die Biosynthese von Peptidoglycan70,71, die Regulierung der Zellform72,73 bzw. die Bildung von Stäbchenformen74 verantwortlich sind, haben wahrscheinlich direkt die Zellform von Stäbchen zu Kugeln verändert. Es war vernünftig, dass die mit der Zellstruktur zusammenhängenden Gene während der Evolution mit hoher Priorität angegriffen wurden, da sie im frühen Leben fehlten und aus dem Minimalgenom ausgeschlossen werden konnten13, d. h. sie sind für die primitive Zelle nicht essentiell. Beachten Sie, dass die direkten und indirekten Strategien sowohl in der evolutionären Dynamik der Wachstumsfitness und Zellform als auch auf morphologischer Ebene erkannt werden konnten.

Die vorliegende Studie liefert den ersten experimentellen Beweis dafür, dass sich stäbchenförmige Bakterienzellen in einer Laborumgebung in kugelförmige Formen verändern, was das Ressourcenregime der ursprünglichen Umgebung nachahmt, zusätzlich zu den intensiv berichteten präbiotischen Demonstrationen primitiver Zellen. Wenn die Stäbchenform auf die entwickelte Zellwand und andere Zellstrukturen zurückzuführen wäre, könnte die umgekehrte Veränderung von der Stäbchen- zur Kugelform als Zusammenbruch gut etablierter Zellstrukturen moderner Zellen angesehen werden. Die experimentelle Entwicklung der fitnesssteigernden Veränderungen der Zellform kann bis zu einem gewissen Grad als morphologische Devolution betrachtet werden. Die große Vielfalt an Mutationen weist auf die große Vielfalt genetischer Strategien für die Evolution primitiven Lebens hin. Zukünftige genetische Rekonstruktionen könnten eine sinnvolle Klärung der mit morphologischen Veränderungen verbundenen Anpassung an Fettsäurevesikel liefern.

Da Morphologie als plastisches Merkmal betrachtet wird, bleibt unklar, wie lange eine Kugelform in einer ursprünglichen Umgebung aufrechterhalten werden kann. Theoretische Vorhersagen gemäß der Evolutionsdynamik (Abb. 1) zeigten, dass eine längere Evolution unabhängig von der Kohlenstoffquelle zu einem Anstieg sowohl der Wachstumsrate als auch des Seitenverhältnisses führen würde (ergänzende Abb. 12). Das Seitenverhältnis der in OAVs entwickelten Zellen wies jedoch große Unterschiede zwischen den sechs Abstammungslinien auf, was auf die hohe Plastizität der Kugelform in der ursprünglichen Umgebung hinweist. Obwohl die fixierten Genommutationen die Stabilität der Sphärizität anzeigten, könnte eine ausgedehnte Evolution bei OAVs zu neuen Mutationen führen, die die morphologischen Merkmale stören und die Zellform verändern. Der vorliegende experimentelle Nachweis mit E. coli stellt möglicherweise nicht die Universalität der morphologischen Bestimmungen primitiver Zellen dar; Es zeigt jedoch eine gewisse morphologische Entwicklung von Stäbchen zu Kugeln durch ein modernes Bakterium, das von Fettsäurebläschen umgeben ist. Über eine kugelförmige Urzelle wurde jahrzehntelang spekuliert, wahrscheinlich aufgrund der physikalischen und thermodynamischen Stabilität von Kugeln. Die vorliegende Studie liefert ein vernünftiges Verständnis der Wachstumsvorteile kugelförmiger Zellen in ursprünglichen Umgebungen, und ihre Ergebnisse stützen diese Spekulation nachdrücklich, ebenso wie präbiotische Studien. Kürzlich wurde über die eiförmige Protozelle (LUCA) und das stäbchenförmige frühe Bakterium (LBCA) berichtet75. Zukünftige Studien, die synthetische Zellen und genetisches Material kombinieren, sind erforderlich, um die ursprüngliche Zellform vollständig aufzuklären.

Für die experimentelle Evolution wurde ein gentechnisch veränderter Labor-E.-coli-Stamm MDS42ΔgalK::Ptet-gfp-kan verwendet, der zuvor konstruiert wurde54. Der Stamm trug das reduzierte Genom MDS42, das ursprünglich aus dem Wildtyp-Genom MG1655 durch Entfernung von Transposons16 abgeleitet wurde.

Die mit OAV ergänzten Minimalmedien wurden durch Mischen von drei Stammlösungen mit ddH2O hergestellt, was zu Endzusammensetzungen von 62 mM K2HPO4, 39 mM KH2PO4, 15 mM (NH4)2SO4, 0,009 mM FeSO4, 0,015 mM Thiaminhydrochlorid, 0,2 mM MgSO4 usw. führte 0,035–3,5 mM OAVs. Basis-, Spurenelement- und OAV-Lösungen waren drei Stammlösungen. Die Basislösung, bestehend aus 310 mM K2HPO4, 195 mM KH2PO4, 75 mM (NH4)2SO4 und 0,045 mM FeSO4, wurde mit 2 M KOH auf pH 8,3 eingestellt. Die Spurenelementlösung bestand aus 15 mM Thiaminhydrochlorid und 203 mM MgSO4. Die OAV-Lösung, bestehend aus 5 mM Ölsäurevesikeln, wurde mit geringfügigen Änderungen gemäß der Methode in einem früheren Bericht76 hergestellt. Zunächst wurde die Mizellenlösung hergestellt, indem 316 μl Ölsäure (reines Öl), die zuvor entgast wurde, in 4,19 ml alkalischem Wasser (pH > 10) suspendiert wurden, das durch Zugabe von 190 μl 5 M NaOH zu 4 ml hergestellt wurde von ddH2O. Die suspendierte Lösung (250 mM Oleatmizellen) wurde vortexiert und über Nacht bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde die OAV-Lösung hergestellt, indem 250 mM Oleatmicellen auf eine Endkonzentration von 5 mM verdünnt und mit HCl (Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd, China) auf pH 8,3 eingestellt wurden. Die Medien wurden alle dreimal mit einem LE-200-Extruder (Morgec, China) und einer 0,2-μm-Nucleopore-Polycarbonatmembran (Whatman, UK) extrudiert und dann mit 250-ml-Filtrationseinheiten, die mit 0,22-μm-Membranen ausgestattet waren (Millipore, USA), sterilisiert. Mit Glucose ergänzte Minimalmedien, bestehend aus 62 mM K2HPO4, 39 mM KH2PO4, 15 mM (NH4)2SO4, 0,009 mM FeSO4, 0,015 mM Thiaminhydrochlorid, 0,2 mM MgSO4 und 0,105–10,5 mM Glucose, wurden wie zuvor beschrieben hergestellt77. Die Medien wurden schließlich mit 2 M KOH auf einen pH-Wert von 8,3 eingestellt, ähnlich wie die mit OAV ergänzten Medien. Sofern nicht anders angegeben, wurden die für die Mediumvorbereitung verwendeten chemischen Reagenzien von Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) bezogen.

Der E. coli-Stamm wurde zunächst in 200 μl des Minimalmediums mit 3,5 mM OAVs in einer 96-Mikrotiterplatte mit flachem Boden (Corning, USA) inokuliert, die mit CyclerSeal Sealing Film (Axygen, USA) versiegelt war. Die Mikroplatten wurden in einem Bioshaker (MBR-022UP, Taitec, Japan) mit einer Rotationsrate von 200 U/min bei 37 °C inkubiert. Mehrmals passagierte Zellen wurden einer Einzelkolonienisolierung unterzogen, indem die Zellkultur auf LB-Agarplatten ausplattiert wurde (ergänzende Abbildung 1A). Nur eine der einzelnen Kolonien wurde als Ori für die experimentelle Evolution ausgewählt. Die ausgewählte Kolonie wurde in 3 ml Minimalmedium mit 3,5 mM OAVs beimpft und bis zu etwa 108 Zellen/ml wachsen gelassen. Die resultierende Zellkultur wurde als Vorrat aufbewahrt und als gemeinsames Ori der experimentellen Evolution verwendet. Beachten Sie, dass im Ori im Vergleich zum E. coli-Stamm zunächst eine einzelne Nukleotidinsertion von T in ygiM nachgewiesen wurde, die für das Antitoxin higA kodiert.

Sechs unabhängige Abstammungslinien, die sich entweder in OAVs (L#) oder Glucose (G#) entwickelten, wurden aus dem Stammbestand der oben beschriebenen Ori generiert. Die Zellen wurden in 3 ml Minimalmedium mit 3,5 mM OAVs oder 10,5 mM Glucose kultiviert und die Zellkulturen in einem Bioshaker (MBR-022UP, Taitec, Japan) mit einer Rotationsrate von 200 U/min bei 37 °C inkubiert. Die tägliche serielle Übertragung auf frisches Medium wurde mit drei verschiedenen Verdünnungsraten durchgeführt (ergänzende Abbildung 1A), die gemäß der zuvor beschriebenen täglichen Wachstumsrate geschätzt wurden78. Nur eine der drei Kulturen, in denen sich das Zellwachstum in der exponentiellen Phase befand (z. B. ~107 Zellen/ml), wurde für den folgenden seriellen Transfer verwendet. Beachten Sie, dass die anfängliche Zellkonzentration des täglichen Transfers höher als 104 Zellen/ml war, um eine genetische Drift zu vermeiden. Die sechs Abstammungslinien wurden unabhängig voneinander generiert, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Die täglichen Zellkulturen wurden alle mit 15 % Glycerin bei –80 °C gelagert.

Die E. coli-Zellpopulationen wurden mit einem Amnis™ ImageStream™X bildgebenden Durchflusszytometer analysiert, auf dem die INSPIRE-Erfassungssoftware (Luminex, USA) installiert war. Grüne Fluoreszenz wurde mit einem 200-mW-488-nm-Laser induziert und die Emission mit einem 505–560-nm-Filter in Kanal 2 nachgewiesen. Die Hellfelddaten wurden in Kanal 4 gesammelt, Seitenstreuung (SSC) wurde mit einem 2-mW-785-Laser erzeugt nm-Laser und Emissionen wurden in Kanal 6 mit einem 745–800-nm-Filter gesammelt. Die Bilder wurden mit 60-facher Vergrößerung, einer Pixelgröße von 0,09 μm2, einer geringen Flussrate und hoher Empfindlichkeit aufgenommen. SpeedBead-Kalibrierungsreagenzien (400041, Luminex, USA) wurden für die tägliche Kalibrierung als interne Perlen verwendet und gleichzeitig zur Geschwindigkeitserkennung und Autofokussierung in Echtzeit ausgeführt. Die Zellkulturen wurden zur Messung mit einem bildgebenden Durchflusszytometer 1–100-fach mit frischem Medium verdünnt. Ungefähr 10.000 Zellen (Datenpunkte) wurden erfasst und entsprechend der Fluoreszenzintensität und der Intensität des Fluoreszenz-Seitenverhältnisses erfasst (ergänzende Abbildung 1B), um die internen Perlen und Zellkulturreste mit der IDEAS-Software (v.6.2.183.0, Luminex, USA) auszuschließen ).

Die für die Morphologieanalyse verwendeten Zellen (Datenpunkte) wurden entsprechend der Schärfequalität der Zellbilder, d. Für die Analyse wurden nur die fokussierten Zellbilder verwendet. Die relativen Längen und Breiten der Zellen wurden durch die Haupt- und Nebenachsenlängen dargestellt, die jeweils die längsten und schmalsten Abmessungen des Zellbildes darstellten. Die Zellform wurde durch das Seitenverhältnis dargestellt, das aus der Länge der Nebenachse dividiert durch die Länge der Hauptachse bestand und die Sphärizität der Zelle im Bild angab. Die relative Zellgröße wurde durch zwei Merkmale dargestellt: Fläche und Volumen. Die relative Zellfläche (A) war die Gesamtzahl der Pixel des Zellbilds, und das relative Zellvolumen (V) wurde anhand der relativen Länge (L) und Breite (W) der Zellen mit der folgenden Formel (Gleichung 1) berechnet ), wie bereits berichtet80.

Die E. coli-Zellen wurden aus Glycerinvorräten in Reagenzgläser mit 3 ml entweder 3,5 mM OAV-supplementiertem oder 10,5 mM Glucose-supplementiertem Minimalmedium geimpft und in einem Bioshaker (MBR-022UP, Taitec, Japan) bei 200 U/min und 37 °C inkubiert °C als Vorkulturen. Die Vorkulturen wurden anschließend in 3 ml frisches Minimalmedium übertragen, das mit 0,035, 0,07, 0,35, 0,7 oder 3,5 mM OAVs bzw. 0,105, 0,21, 1,05, 2,1 oder 10,5 mM Glucose mit einer üblichen Verdünnungsrate von versorgt wurde 1000-fach. Für jede Konzentration wurden jeweils 10 Reagenzgläser mit Parallelkulturen eingesetzt (insgesamt 10 Konzentrationen). Die Veränderungen der Zellkonzentration, Morphologie, Fluoreszenz usw. wurden mit einem bildgebenden Durchflusszytometer in Abständen von mehreren Stunden ausgewertet, bis die Zellkultur die stationäre Phase erreichte. Die Nutzungskapazität wurde definiert als die Mittelwerte (N > 5) der maximalen Zellkonzentration (Zellen/ml), die anhand der zeitlichen Messungen berechnet wurden, dividiert durch die Konzentrationen (mM) der zugeführten Kohlenstoffquelle, d. h. OAVs oder Glukose. Die konstante Populationsdichte wurde gemessen und die Zellkonzentrationen pro mM Kohlenstoffquelle als Populationskapazität berechnet. Die Ergebnisse wurden in Supplementary Data 6 zusammengefasst.

Die E. coli-Zellen wurden aus Glycerinvorräten in Reagenzgläser mit 3 ml 10,5 mM Glucose-supplementiertem Minimalmedium geimpft und in einem Bioshaker (MBR-022UP, Taitec, Japan) bei 200 U/min und 37 °C als Vorkulturen inkubiert. Die Vorkulturen wurden 1000-fach mit frischem Minimalmedium verdünnt, das mit 0,105, 0,21, 1,05, 2,1 oder 10,5 mM Glucose versorgt war, und anschließend in 96-Well-Mikrotiterplatten mit flachem Boden (Corning, USA) in sechs Wells geladen, wobei die Standorte je nach Kulturbedingung variierten , wie zuvor beschrieben77. Die Mikroplatten wurden in einem Plattenlesegerät (Synergy H1, BioTek, USA) unter kontinuierlichem Orbitalschütteln bei 282 cpm und 37 °C inkubiert. Das Wachstum wurde durch Messung der Absorption bei 600 nm überwacht und die Messwerte wurden in 30-Minuten-Intervallen über einen Zeitraum von 20–30 Stunden erhalten. Die Wachstumsrate wurde anhand der Änderungen der OD600 berechnet, wie zuvor beschrieben81.

Die E. coli-Zellen wurden mit 2,5 % Glutaraldehyd fixiert, gefolgt von einer einstündigen Behandlung mit 1 % OsO4 bei 4 °C. Die Zellen wurden dann dreimal mit PBS (phosphatgepufferter Kochsalzlösung) gespült, in einer abgestuften Reihe (30 %, 50 %, 70 %, 80 %, 90 %, 95 % und 100 %) Ethanol dehydriert und mit einem kritischen Trockner getrocknet Punkttrockner (Leica EM CPD 300, Leica Microsystems GmbH, Wetzlar, Deutschland) und in einem Sputtercoater (ACE600, Leica Microsystems) mit Gold beschichtet. Die vorbereiteten Proben wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (Hitachi S-4800, Japan) bei einer Beschleunigungsspannung von 3 kV beobachtet.

Die in Glucose-supplementiertem Minimalmedium gezüchteten E. coli-Zellen wurden in der stationären Phase für die Genommutationsanalyse geerntet, wie zuvor beschrieben63. Die Genom-Resequenzierung wurde von Sangon (Shanghai, China) durchgeführt. Genomische DNA wurde mit einem Magen Bacterial DNA KF Kit (Sangon, Shanghai, China) extrahiert und gDNA-Bibliotheken wurden mit dem NEBNext Ultra DNA Library Prep Kit für Illumina (NEB, USA) erstellt. Die Gesamtgenom-Resequenzierung wurde mit den Plattformen NovaSeq 6000 (Illumina, San Diego, CA) und MGISEQ-2000 (MGI, Shenzhen, China) gemäß den Anweisungen des Herstellers durchgeführt. Die Lesevorgänge wurden der Referenzsequenz (NCBI-Zugangsnummer NC_020518.1) zugeordnet und die Genommutationen, dh SNPs und Indels, wurden mit dem Genome Analysis Toolkit (GATK) bestimmt. RAW-Datensätze wurden bei BioProject mit der Zugangsnummer PRJNA693085 (SRR13487015-SRR13487022) hinterlegt.

Alle biologischen Experimente wurden wiederholt durchgeführt (N = 5–12). Alle Analysen wurden der statistischen Auswertung (N > 4) unterzogen, um die Schlussfolgerung zu ziehen. Die Einzelheiten wurden in den entsprechenden Abschnitten zu Experimenten und Analysen beschrieben. Die aus den wiederholten Experimenten gewonnenen und für die statistischen Analysen verwendeten Datensätze werden als Ergänzungsdaten als Referenz bereitgestellt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Genomsequenzierungsdaten sind bei BioProject unter der Zugangsnummer PRJNA693085 hinterlegt. Die für die Analysen und zur Generierung der Zahlen verwendeten Quelldaten sind in den Zusatzdaten 1–6 verfügbar. Weitere Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken Yiwen Wang und Zhiwei Gong vom ECNUmultifunktionalen Plattform für Innovation (004) Electron Microscopy Center für ihre Hilfe bei den elektronenmikroskopischen Aufnahmen. Die Forschung wurde vom National Key R&D Program of China, Synthetic Biology Research (2019YFA0904500) und dem MOE International Joint Laboratory of Trustworthy Software an der ECNU unterstützt und teilweise von JSPS KAKENHI, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), unterstützt. Fördernummer 19H03215 (an BWY).

Biomedizinisches Forschungszentrum für synthetische Biologie, School of Life Sciences, East China Normal University, 3663 North Zhongshan Road, Shanghai, 200062, VR China

Hui Lu, Yang Xia, Jian Xu, Kai Li und Tetsuya Yomo

Graduiertenschule für Lebens- und Umweltwissenschaften, Universität Tsukuba, 1-1-1 Tennoudai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8572, Japan

Honoka Aida, Masaomi Kurokawa und Bei-Wen Ying

School of Software Engineering, East China Normal University, 3663 North Zhongshan Road, Shanghai, 200062, VR China

Feng Chen

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BWY und TY konzipierten die Forschung; BWY hat die Experimente entworfen; HL führte die Experimente durch; HL, MK, HA und BWY analysierten die Daten; MK, YX, CF, JX und LK stellten die experimentellen und analytischen Werkzeuge zur Verfügung; BWY hat das Papier und die Grafiken entworfen; HL, JX, BWY und TY haben das Papier überarbeitet; und alle Autoren stimmten dem Papier zu.

Korrespondenz mit Bei-Wen Ying oder Tetsuya Yomo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Communications Biology dankt Nkrumah Grant und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteure: Thulani Makhalanyane und Caitlin Karniski. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lu, H., Aida, H., Kurokawa, M. et al. Ursprüngliche Mimikry induziert morphologische Veränderungen in Escherichia coli. Commun Biol 5, 24 (2022). https://doi.org/10.1038/s42003-021-02954-w

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Eingegangen: 15. Februar 2021

Angenommen: 07. Dezember 2021

Veröffentlicht: 11. Januar 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-021-02954-w

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