Главная / Как эволюционировала молекулярная машина

Как эволюционировала молекулярная машина

Опубликовано Мир науки и техники в 30 Январь, 2012 - 20:31.

эволюция молекулярной машины

Почти все, на чем основывается функционирование живых клеток, обеспечивается молекулярными машинами - физическими комплексами специализированных белков (протеинов), которые слаженно работают над выполнением определенной биологической функции. Для ученых длительное время оставалось загадкой, как шаг за шагом в процессе эволюции образовывались такие почти идеальные конструкции, оставаясь любимой темой креационистов.

В исследовании, которое было опубликовано в журнале Nature, команда ученых из Университета Чикаго и Орегона, показали, как через несколько небольших, но очень вероятных мутаций 80 миллионов лет тому назад молекулярная машина начала усложняться.

Ученые воссоздали древние гены и исследовали их функции, которые они выполняют в современных организмах, и показали, что новый компонент включался в машину лишь тогда, когда происходили селективные потери функций, а не появление дополнительных.

Стратегия эксперимента состояла в воспроизведении молекулярного путешествия во времени и описания всех протеинов этой молекулярной машины сразу и после увеличения комплексности. "Воссоздавая компоненты машины в том виде, в каком они существовали очень давно", говорит главный автор Джо Торнтон, "Мы имели возможность проследить как со временем менялась функция каждого протеина и определить специфические генетические мутации, благодаря которым машина становилась более совершенной.

Ученые сконцентрировались на молекулярном комплексе В- АТФазном протонном насосе, который помогает поддерживать надлежащий уровень кислотности компарментов в клетке.

Одним из основных компонентов насоса является принцип «колеса», благодаря которому происходят перемещения ионов водорода через мембраны, профессионально выполняя на молекулярном уровне механическую работу. В большинстве видов колесо образовывается со всех шести копиях двух разных протеинов, но в грибах в этот комплекс также включен и третий тип белка.

Чтобы понять как возрастала комплексность колеса, Торнтон вместе с коллегами воссоздали родительские версии белков колеса сразу и после того, как в его состав был включен третий белок.

Для этого исследователи большей мерой пользовались компьютерами, чтобы проанализировать генетические последовательности 139 современных типов белков, пройдя, таким образом, по эволюции в обратном направлении - вдоль линии дерева жизни, только назад, чтобы найти более вероятные родительские последовательности. Дальше использовали биомолекулярные методы для синтеза таких родительских генов и включения их в существующие типы дрожжевых клеток.

Они впервые "прошлись" по отдельным генам со временем, к тому же, впервые, когда подход был применен для всех компонентов молекулярной машины.

Ученые нашли, что третий компонент колеса гриба появился, когда удвоился генетический код одной из субъединиц более древнего колеса из двух типов белка, а дочерние гены потом разъединились на две отдельные эволюционные ветви.

Такой предок, оказывается, был более универсальным, чем его отпрыск: экспрессия предкового гена спасала современных дрожжей, которые с другой стороны, не смогли бы расти, потому что один или оба потомственных гена белка колеса были удалены. С другой стороны, каждый воспроизведенный ген после удвоения мог только компенсировать потери каждого отдельного гена белка колеса.

Так ученые пришли к выводу, что функции предкового белка распределили между собой удвоенные копии, а увеличение комплектности (сложности) происходило за счет соответствующих потерь родительских функций, а не за счет приобретения новых. Сконструировав родительские белки, слитые друг с другом в специфической ориентации, ученые показали, что удвоенные протеины теряли свою способность взаимодействовать с некоторыми другими белками механизма.

И когда предок, до своего удвоения, может принимать шесть возможных ориентаций в колесе, каждый удвоенный ген терял способность заполнять определенные участки, занятые другим, поэтому оба становились обязательными компонентами комплекса с ограничениями в функционале.

Мутации организмов

Последнее, о чем пытались узнать ученые, было определение специфических генетических мутаций, которые вызвали функциональную дегенерацию потомственных форм белков следом за удвоением. После повторения исторических мутаций, которые происходили вслед за дупликацией в белке предка, они нашли, что для каждой с двух эволюционных ветвей для разрушения одинаковых функций и появления необходимости в колесе с трех протеинов понадобилась лишь одна мутация.

"Это довольно простой механизм осложнения системы", говорит Торнтон. "Генные дупликации часто происходят в клетках и для ошибок во время копирования ДНК это возможность не дать белку взаимодействовать с определенными партнерами. Но это не касается того, когда речь идет об эволюции определенной специфической комбинации с сотней мутаций для появления некоторой сложной новой функции".

Торнтон предполагал, что благодаря накоплению простых, деградирующих изменений на протяжении продолжительного периода могут образоваться много сложных молекулярных машин, которые присутствуют в современных организмах. Этот принцип выступает против модели интеллектуального дизайна - "непреодолимой сложности", который утверждает, что молекулярные машины очень сложные, чтобы образоваться в процессе поэтапной эволюции.

"Это отличается от совершенно сконструированных машин", добавляет он. "Они представляют собой молекулы, которые, скорее всего, приклеивались друг к другу, обрабатывались вместе в процессе эволюции путем чеканки, деградации и даже банальной удачи, и сохранялись, тем самым помогли нашему предку выжить".

Теги: , , ,

Читайте нас тут


Наш RSS В Контакте [info]

Фото обзоры

Рейтинг@Mail.ru