Οι βιολόγοι επικαλούνται το παρελθόν στα σύγχρονα βακτήρια

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην εξελικτική βιολογία είναι η προσπάθεια να συνδυάσει την ιστορία της ζωής με βάση αποσπασματικά στοιχεία και περιορισμένη γνώση των δυνάμεων που παίζουν - την πλούσια ταπετσαρία του κλίματος, της γεωλογίας και των έμβιων όντων που αποτελεί το σκηνικό της εξέλιξης. Πώς, για παράδειγμα, δημιουργήθηκαν τα ευαίσθητα στο φως μόρια που επιτρέπουν την έγχρωμη όραση; Γιατί τα φθορίζοντα κοράλλια ξεκίνησαν πράσινα και στη συνέχεια διαφοροποιήθηκαν σε ένα ουράνιο τόξο χρωμάτων;

Την τελευταία δεκαετία, επιστήμονες στον αναδυόμενο τομέα της παλαιογονιδιωματικής έχουν αναπτύξει νέες μεθόδους για να αρχίσουν να απαντούν σε ορισμένα από αυτά τα ερωτήματα. Συγκρίνοντας τις αλληλουχίες DNA πολλών ζωντανών οργανισμών και δουλεύοντας προς τα πίσω, μπορούν να συμπεράνουν την αρχαία γονιδιωματική ιστορία, όπως όταν ένα γονίδιο εξέλιξε μια νέα λειτουργία. «Ένα κοινό γονίδιο αντιπροσωπεύει ένα τμήμα πληροφοριών που έχει επιζήσει από το παρελθόν», δήλωσε ο Betul Kacar, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Οι ερευνητές κατάφεραν να ανακατασκευάσουν μια σειρά από αρχαίες πρωτεΐνες, όπως αυτές που ανιχνεύουν στεροειδείς ορμόνες, ανιχνεύοντας τη διαδρομή που ακολούθησαν αυτά τα μόρια για να αποκτήσουν τη σύγχρονη ταυτότητά τους. Πριν από αρκετά χρόνια, ο Eric Gaucher, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια στην Ατλάντα, ανέστησε ακόμη και μια πρωτεΐνη 700 εκατομμυρίων ετών από το E. coli.

Τώρα, σε μια νέα ανατροπή στην παλαιογονιδιωματική, ο Kacar δημιούργησε αυτή την αρχαία πρωτεΐνη σε σύγχρονο E. coli και παρακολούθησε πώς το μικρόβιο προσαρμόστηκε σε αυτήν. Η νέα προσέγγιση, την οποία παρουσίασε ο Kacar χθες στο Επιστημονικό Συνέδριο Αστροβιολογίας της NASA στο Σικάγο, παρέχει μια πιο ολοκληρωμένη άποψη των μηχανισμών της εξέλιξης — για παράδειγμα, πώς η θέση μιας πρωτεΐνης σε ένα ευρύτερο δίκτυο επηρεάζει τον ρυθμό μεταβολής της ή πώς τα πρωτεϊνικά δίκτυα εξελίσσονται ως ολόκληρος. Αυτού του είδους οι γνώσεις πιθανότατα θα έχουν επίσης πρακτικές επιπτώσεις, βοηθώντας στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο οι οργανισμοί ενδέχεται να ανταποκριθούν στην κλιματική αλλαγή και άλλες διαταραχές και δίνοντας τη δυνατότητα στα μικρόβια να κατασκευαστούν με μεγαλύτερη ακρίβεια για ιατρικές και βιομηχανικές χρήσεις.

Αρχαία Ιστορία

Οι επιστήμονες ήταν από καιρό σε θέση να εισάγουν πρωτεΐνες από έναν οργανισμό σε έναν άλλο, ένα βασικό συστατικό της γενετικής μηχανικής. Έτσι οι ερευνητές κατασκευάζουν μικρόβια για να παράγουν καύσιμα ή φάρμακα. Αλλά τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων μπορεί να είναι απρόβλεπτα. "Μερικές φορές δεν λειτουργεί καθόλου και δεν καταλαβαίνουμε πραγματικά γιατί", είπε ο Gaucher.

Μια πρωτεΐνη που ονομάζεται παράγοντας επιμήκυνσης Tu (EF-Tu) είναι ένα τέτοιο ενοχλητικό παράδειγμα. Παρά το γεγονός ότι είναι εξαιρετικά συντηρημένο (υπάρχει σε όλη τη ζωή στη Γη) και απαραίτητο (χωρίς αυτό, τα κύτταρα πεθαίνουν), δεν έχει ευελιξία. Η τοποθέτηση μιας εκδοχής μαγιάς ή μύγας φρούτων της πρωτεΐνης EF-Tu στο E. coli δεν λειτουργεί. «Είναι μια από τις πιο διατηρημένες ακολουθίες στη ζωή, αλλά δεν μπορεί να ανταλλάσσεται μεταξύ των μορφών ζωής», είπε ο Gaucher. "Αυτό είναι περίεργο."

Ο Kacar και ο Gaucher υποστήριξαν ότι ίσως μια αρχαία εκδοχή της πρωτεΐνης, που προέρχεται από έναν πρόγονο του E. coli 700 εκατομμυρίων ετών, θα λειτουργούσε καλύτερα από μια σύγχρονη εκδοχή από διαφορετικό είδος. Ο Gaucher το συγκρίνει με την απόρριψη ενός αγγλόφωνου Αμερικανού στο σημερινό Πεκίνο ή στη Νέα Υόρκη της δεκαετίας του 1980. Ο ταξιδιώτης θα είχε πιθανώς ευκολότερο χρόνο να περιηγηθεί στην αμερικανική πόλη από ότι στην κινεζική, όπου τόσο η γλώσσα όσο και ο πολιτισμός διαφέρουν δραστικά.

Για να συμπεράνει τη δομή της προγονικής εκδοχής, ο Gaucher είχε συγκρίνει τις αλληλουχίες όλων των γνωστών εκδόσεων του γονιδίου που παράγει την πρωτεΐνη EF-Tu και χρησιμοποίησε εξελιγμένες υπολογιστικές και στατιστικές μεθόδους για να συμπεράνει την πιο πιθανή αλληλουχία του γονιδίου. Στη συνέχεια, ο Kacar συνέθεσε αυτό το γονίδιο και το εισήγαγε στο E. coli στη θέση της υπάρχουσας έκδοσης. (Ονόμασε το υβρίδιο στέλεχος Rip, από το όνομα Rip Van Winkle, επειδή το γονίδιο έχει ξυπνήσει από έναν ύπνο 700 εκατομμυρίων ετών.)

Το υβριδικό E. coli υπέφερε σαφώς από το αρχαϊκό συστατικό. Τα υβρίδια αναπτύχθηκαν πολύ πιο αργά από τα κανονικά αντίστοιχά τους, παράγοντας 25 τοις εκατό λιγότερους απογόνους. Ακριβώς όπως ένας σύγχρονος φορητός υπολογιστής θα λειτουργούσε άσχημα εάν ο επεξεργαστής του αντικαταστάθηκε με ένα τσιπ υπολογιστή της εποχής του 1980, ο σύγχρονος μοριακός μηχανισμός των μικροβίων απλώς δεν ήταν κατάλληλος για την αρχαία έκδοση της πρωτεΐνης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το EF-Tu είναι μια πρωτεΐνη κόμβου, που αλληλεπιδρά με 50 ή περισσότερες άλλες πρωτεΐνες καθώς εκτελεί τη λειτουργία της στο κύτταρο. «Όταν βάζουμε την αρχαία μορφή, αναμφίβολα διακόπτουμε κάποιες από αυτές τις αλληλεπιδράσεις», είπε ο Gaucher. Οι πρωτεΐνες συνεργάτες έχουν υποστεί τις δικές τους εξελικτικές αλλαγές τα τελευταία 700 εκατομμύρια χρόνια — έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με τα σύγχρονα εξαρτήματα του φορητού υπολογιστή και όχι με το ξεπερασμένο τσιπ.

Σε αντίθεση με έναν υπολογιστή, ωστόσο, τα βακτήρια επανήλθαν γρήγορα. Η Kacar μεγάλωσε τα υβρίδια στο εργαστήριο, ελέγχοντας τους ρυθμούς ανάπτυξής τους και άλλους παράγοντες κάθε μερικές εκατοντάδες γενιές. Μέσα σε μερικούς μήνες - περίπου 500 γενιές - το υβριδικό E. coli αναπτύχθηκε καθώς και τα σύγχρονά τους αντίστοιχα. Αυτά τα στελέχη επιζώντων πρέπει να έχουν εξελίξει τρόπους για να ξεπεραστούν τα προβλήματα που προκαλούνται από την ξεπερασμένη πρωτεΐνη. Αλλά πώς;

Διόρθωση

Άλλα πειράματα έχουν εισαγάγει μηχανικές πρωτεΐνες σε νέα περιβάλλοντα. Σε δοκιμές μετά από δοκιμή, η πρωτεΐνη εξελίσσεται μέσω της ίδιας ακριβώς διαδρομής, σαν να ήταν η εξέλιξη μια ηχογράφηση που θα μπορούσε να επαναληφθεί ξανά και ξανά για να δώσει το ίδιο αποτέλεσμα. Ο Kacar και ο Gaucher περίμεναν παρόμοια έκβαση σε αυτή την υπόθεση. «Δεδομένου ότι το αρχαίο γονίδιο είναι άμεσος πρόγονος, σκέφτηκα αφελώς ότι θα συσσώρευε απλώς μεταλλάξεις που το κάνουν να μοιάζει με τη σύγχρονη αλληλουχία γονιδίων E. coli», είπε ο Gaucher.

Έκαναν λάθος. Και στα οκτώ από τα στελέχη E. coli που μελέτησαν, η πρωτεΐνη EF-Tu παρέμεινε αμετάβλητη. Αντίθετα, επτά στελέχη άλλαξαν τον τρόπο χρήσης της πρωτεΐνης. Συγκεκριμένα, το E. coli ανέπτυξε γενετικές αλλαγές που τους έκαναν να αντλούν περισσότερη από την υποπαραγωγική πρωτεΐνη. "Η παραγωγή περισσότερης από την αρχαία πρωτεΐνη επιτρέπει στο κύτταρο να αποκαταστήσει τις αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης που είχαν διαταραχθεί", είπε ο Gaucher.

Στο όγδοο στέλεχος, ορισμένες από τις πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με το EF-Tu άλλαξαν έτσι ώστε να μπορούν να συνδεθούν καλύτερα με την αρχαία έκδοση. Ήταν λες και το λογισμικό σε ένα σύγχρονο φορητό υπολογιστή προσαρμόστηκε για να λειτουργεί καλύτερα με έναν ξεπερασμένο επεξεργαστή. «Οι οργανισμοί που επιβιώνουν και μεταδίδουν τα γονίδιά τους στην επόμενη γενιά φαίνεται να αντιμετωπίζουν την εισαγωγή της αρχαίας έκδοσης όχι επιστρέφοντας στη σύγχρονη έκδοση αλλά αλλάζοντας τις άλλες πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν με αυτήν», δήλωσε ο Aaron Goldman. υπολογιστική βιολόγος στο Oberlin College στο Οχάιο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Τα ευρήματα πληροφορούν μια συνεχιζόμενη συζήτηση στην εξέλιξη:Η προσαρμογή προχωρά μέσω αλλαγών στα μέρη των γονιδίων που παράγουν πρωτεΐνες ή μέσω αλλαγών στις λεγόμενες ρυθμιστικές περιοχές του γονιδιώματος, οι οποίες ελέγχουν πότε, πού και πόση πρωτεΐνη παράγεται; Εν ολίγοις, η εξέλιξη βασίζεται περισσότερο στην αλλαγή των ίδιων των πρωτεϊνών ή εξαρτάται από την αλλαγή του τρόπου με τον οποίο το κύτταρο χρησιμοποιεί τις πρωτεΐνες;

Όπως συμβαίνει συχνά στον περίπλοκο κόσμο της βιολογίας, τα αποτελέσματα του Kacar υποδηλώνουν ότι η απάντηση είναι και τα δύο. Αλλά οι ρυθμιστικές μεταλλάξεις πιθανότατα παρέχουν μια ευκολότερη διαδρομή για τη βελτίωση της φυσικής κατάστασης. Η ενίσχυση της παραγωγής πρωτεΐνης είναι ευκολότερη από τη δημιουργία μιας πιο αποτελεσματικής έκδοσης της ίδιας της πρωτεΐνης.

Κόμβος δικτύου

Το πείραμα του Kacar φαίνεται να είναι το πρώτο στο οποίο μια αρχαία εκδοχή μιας πρωτεΐνης εισήχθη με επιτυχία σε έναν ζωντανό οργανισμό που στη συνέχεια αφέθηκε να εξελιχθεί. Αυτό είναι ένα εξαιρετικά περίπλοκο εγχείρημα, πολύ πιο δύσκολο από το να λειτουργήσει μια πρωτεΐνη σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα. Το γεγονός ότι η αρχαία πρωτεΐνη λειτουργεί καθόλου σε ένα σύγχρονο περιβάλλον είναι από μόνο του σημαντικό, είπε ο Greg Fournier, γεωβιολόγος στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Αλλά αυτό το περιβάλλον επιτρέπει στους επιστήμονες να μελετήσουν την εξέλιξη ολόκληρου του πολύπλοκου δικτύου που περιβάλλει τον κόμβο EF-Tu. «Όταν σκεφτόμαστε την εξέλιξη, τείνουμε να τη σκεφτόμαστε στο επίπεδο του οργανισμού ή των γονιδίων», είπε ο Goldman. «Αλλά έχουν καταγράψει ένα αποτέλεσμα που μιλά για το ενδιάμεσο επίπεδο». Αυτό μπορεί να προσφέρει πληροφορίες για το πώς το μοριακό πλαίσιο — τα διάφορα συστατικά του κυτταρικού μηχανισμού του E. coli — επηρεάζει την εξέλιξη.

Ως πρωτεΐνη κομβίου — περισσότερες από 50 άλλες πρωτεΐνες συνδέονται με αυτήν — το EF-Tu φαίνεται να είναι ανθεκτικό στις αλλαγές, αναγκάζοντας τους μοριακούς εταίρους του να προσαρμοστούν. Αυτό υποδηλώνει ότι η θέση μιας πρωτεΐνης μέσα σε ένα δίκτυο καθορίζει εάν είναι πιθανό να διατηρηθεί ή να είναι εύπλαστη με την πάροδο του χρόνου, είπε ο Goldman. "Από όσο γνωρίζω, αυτή είναι η πρώτη πραγματικά ξεκάθαρη άποψη αυτής της διαδικασίας."

Το μοναδικό όγδοο στέλεχος του E. coli - αυτό στο οποίο εξελίχθηκαν άλλες πρωτεΐνες - έχει ήδη δώσει στους ερευνητές πληροφορίες για τον ρόλο της πρωτεΐνης EF-Tu στο κύτταρο. Εξετάζοντας τις πρωτεΐνες που προσαρμόστηκαν στην αρχαία έκδοση, ο Kacar και οι συνεργάτες του κατάφεραν να εντοπίσουν νέους συνεργάτες δέσμευσης για το EF-Tu. «Αυτό που είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό στη δουλειά της Betul είναι το πώς η μεταλλαγμένη οθόνη εντόπισε νέους συνεργάτες που αλληλεπιδρούν», είπε ο Fournier.

Φαίνεται ότι αυτές οι συνεργαζόμενες πρωτεΐνες μπορεί να έκαναν ένα βήμα πίσω στο χρόνο για να ταιριάξουν με την αρχαία μεταμόσχευση, αυξάνοντας τις ελπίδες ότι οι ερευνητές θα μπορούσαν να συνδυάσουν το αρχαίο μοριακό δίκτυο. «Δεν μπορείς απλώς να αναστήσεις ένα αρχαίο γονίδιο και να το καταλάβεις», είπε ο Kacar. "Πρέπει να αναστήσετε το αρχαίο μεταβολικό μονοπάτι."

Ο Kacar σχεδιάζει στη συνέχεια να εφαρμόσει την ίδια προσέγγιση πολύ ευρύτερα. Με συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, σχεδιάζει να αντικαταστήσει τα σύγχρονα γονίδια E. coli με πιο αρχαίες εκδοχές, αλλά και να εισάγει ξένες εκδοχές από άλλα είδη. Θα ψάξει για εξελικτικά μοτίβα καθώς ταξιδεύει πίσω στο χρόνο ή μακρύτερα από το E. coli στο εξελικτικό δέντρο. Αυτά είναι τα κομμάτια των αποδεικτικών στοιχείων της, τα λείψανά της από το μακρινό παρελθόν:ζωντανή και εύπλαστη, ικανή να αποκαλύψει την ιστορία της ζωής.