версія для друку
27.01.2012 Еволюція: молекулярні машини

Зображення: «Виглядає досить нелогічно, але досить просто: в цій системі втрата функцій, не набуття, супроводжувалося ускладненням систем», говорить автор публікації Джо Торнтон. «Лише в суспільстві, коли окремі індивіди та громадські інститути починають забувати, що таке універсальність, складність системи зростає» (iStockphoto)

Майже все, на чому основується функціонування живих клітин, забезпечується молекулярними машинами – фізичними комплексами спеціалізованих білків (протеїнів), які злагоджено працюють над виконанням певної біологічної функції. Для вчених довгий час лишалося загадкою, як крок за кроком в процесі еволюції утворювалися такі майже перфектні конструкції, лишаючись улюблено темою креаціоністів.

В дослідженні, опублікованому в журналі Nature, команда вчених з Університету Чікаго та Орегон, показали, як через декілька невеликих, але дуже ймовірних мутацій 80 мільйонів року тому молекулярна машина стала почала ускладнюватися.

Вчені біохімічно відтворили древні гени та дослідили їх функції, які вони виконують в сучасних організмах, і показали, що новий компонет включався в машину лише тоді, коли відбувалися селективні втрати функції, а не поява додаткових.

Стратегія експерименту полягала у відтворенні молекулярної подорожі в часі і охарактеризуванні всіх протеїнів цієї молекулярної машини відразу і після збільшення комплексності. «Відтворюючи компоненти машини у тому вигляді, якими вони існували дуже давно», говорить головний автор Джо Торнтон, «ми мали можливість простежити як з часом змінювалася функція кожного протеїну і визначити специфічні генетичні мутації, завдяки яким машина ставала більш досконалою.

Вчені сконцентрувалися на молекулярному комплексі В-АТФазному протонному насосі, який допомагає підтримувати належний рівень кислотності компартментів в клітині.

Одним із основних компонентів насосу є «колесо», завдяки якому відбуваються переміщення іонів водню через мембрани. У більшості видів колесо утворюється з усіх шести копій двох різних протеїнів, але в грибах в цей комплекс також включений і третій тип білку.

Щоб зрозуміти як зростала комплексність колеса, Торнтон разом з колегами відтворили предкові версії білків колеса відразу і після того, як був включений до його складу третій білок.

Для цього дослідники більшою мірою скористалися комп’ютерами, щоб проаналізувати генетичні послідовності 139 сучасних типів білків колеса, пройшовши таким чином по еволюції в зворотньому напрямку – вздовж лінії дерева життя, тільки назад, щоб знайти більш ймовірні предкові послідовності. Далі використали біомолекулярні методи для синтезу таких предкових генів і включили їх в існуючі типи дріжджових клітин.

Вони вперше «пройшлися» по окремим генам в часі, до того ж, вперше, коли підхід був застосований для усіх компонентів молекулярної машини.

Вчені знайшли, що третій компонент колеса гриба з’явився, коли подвоївся генетичний код однієї з субодиниць більш древнього колеса з двох типів білків, а дочірні гени потім роз’єдналися на дві окремі еволюційні гілки.

Такий «доподвоєнний» предок, виявляється, був більш універсальним, ніж його нашадки: експресія предкового гена спасала сучасних дріжджів, які б з іншої сторони, не змогли б рости, тому що один чи обидва нащадкових гени білка колеса були видалені. З іншого боку, кожен відтворений ген після подвоєння міг тільки компенсувати втрату окремо кожного гена білка колеса.

Так вчені дійшли висновку, що функції предкового білка розподілили між собою подвоєні копії, а збільшення комлексності (складності) відбувалося за рахунок відповідних втрат предкових функцій, а не за рахунок придбання нових. Сконструювавши предкові білки, злиті один з одним в специфічній орієнтації, вчені показали, що подвоєні протеїни втрачали свою здатність взаємодіяти з деякими іншими білками колеса.

І коли «доподвоєнний» предок може приймати шість можливих орієнтацій в колесі, кожен подвоєний ген втрачав здатність заповнювати певні ділянки, зайняті іншим, тому обидва ставали обов’язковими компонентами комплексу, обмеженими в збірці та функціонуванні.

Мутації організмів

Останнє, про що намагалися дізнатися вчені було визначення специфічних генетичних мутацій, що викликали функціональну дегенерацію нащадкових форм білків після подвоєння. Після повторення історичних мутацій, які відбувалися після дуплікації в білку предка, вони знайшли, що для кожної з двох еволюційних гілок для зруйнування однакових функцій і появі необхідності в колесі з трьох протеїнів знадобилася лиша одна мутація.

«Це досить простий механізм ускладнення системи», говорить Торнтон. «Генні дуплікації часто відбуваються в клітинах і для помилок під час копіювання ДНК це нагода не дати білку можливості взаємодіяти з певними партнерами. Але не стосується, коли йдеться про еволюцію певної специфічної комбінації зі 100 мутацій для появи деякої складної нової функції».

Торнтон пропонує, що завдяки накопиченю простих, дегенеруючих змін протягом тривалого періоду можуть утворитися багато складних молекулярних машин, які присутні в сучасних організмах. Цей принцип виступає проти концепту інтелектуального дизайну – «нездоланної складності», який стверджує, що молекулярні машини дуже складні, щоб утворитися в процесі поетапної еволюції.

Автор:  Джо Істон
Адреса джерела:  http://www.futurity.org/science-technology/how-‘molecular-machines’-evolved/
Джерело:  Futurity
Показів: 127