Теория эволюции Дарвина последнее время подвергается всё большим нападкам со стороны воинствующих креационистов, особенно активных в США, где делается львиная доля мировой науки. Тем важней результат Брайана Пегеля и Джеральда Джойса из Исследовательского института имени Скриппса в Калифорнии, получивших практическое подтверждение якобы умозрительной гипотезы.
Они смогли реализовать химическую эволюцию молекул РНК в соответствии с принципами дарвиновской теории. И хотя «разумный замысел» (так теперь называют внешне более цивилизованную форму креационизма) в их экспериментальной установке присутствует, вмешательство «высшего разума» в её работу не требуется.
В последнем выпуске журнала PLoS Biology появилась статья, описывающая витиеватый биохимический эксперимент, в ходе которого ученые смогли осуществить направленную эволюцию биологических молекул.
Исследователи создали установку, которая управляется автономным компьютером и способна направлять эволюцию так называемых РНК-ферментов — катализаторов биологических процессов на основе РНК — без вмешательства человека.
Эволюция химических молекул в научном эксперименте вовсе не открытие ученых, хотя каталитическая активность особых типов РНК была открыта относительно недавно (до этого ученые считали сферой деятельности РНК только синтез белков). Первые РНК-ферменты лабораторного происхождения были получены в 90-х годах прошлого века.
Главное достижение ученых — автоматизация естественного отбора биологических молекул в соответствии с их свойствами. Отбор осуществляется машиной, а человеческое вмешательство требуется только на стадии пополнения расходных химических реактивов. Ну и тумблер в самом начале надо кому-то включить.
Хотя работа американских химиков далека от биологии, их автоматическая система химической эволюции работает по тем же принципам, что и дарвиновская эволюционная теория.
не единственная, но одна из самых популярных теорий эволюции видов.
В нашем случае её суть можно выразить схемой:
изменчивость
+наследственность
+естественный отбор
= эволюция.
Кратко её суть сводится к следующему – эволюция различных видов проходит в рамках естественного отбора, когда среди всех особей популяции выживают только самые живучие. Их большая приспособленность к различным внешним условиям по сравнению с остальными обуславливается случайными мутациями в их геноме еще при зачатии, которые и определяют признаки, дающие конкурентные преимущества. Считается так же, что на вид должно быть наложено давление естесственноо отбора – одно или несклько неблагоприятных внешних условий, при которых популяция вида начинает сокращаться. При этом для эволюции так же важна возможность передачи новых генетических признаков по наследству.
Только в таком случае менее приспособленные особи, не способные в данных условиях принести потомство вымирают, а сильные выживают, оставляя после себя новое поколение более сильное и приспособленное. За этим следует еще одна итерация естественного отбора.
В результате последнего взаимодействия молекула катализатора копируется — в некотором смысле у неё появляется «прямой потомок».
Таким образом, молекулы РНК-ферментов, успешно вступивших в реакцию катализа, удваиваются, и общее количество успешных молекул начинает превалировать над молекулами менее активными в рассматриваемой реакции. Именно здесь ученые смело проводят аналогию между более выносливыми и живучими животными, приносящими виду больше потомства по сравнению со слабыми, в результате чего положительная мутация и становится общей для всего вида.
В процессе репликации РНК-ферменты претерпевали случайные мутации — так же как претерпевают их в живых системах клеточные ДНК и РНК. Такие мутации случайным образом могут изменить каталитическую активность молекул как в лучшую, так и в худшую сторону.
ученых работала по итерационному принципу: после осуществления первой итерации по катализу реакции с субстратом, наработке повышенной концентрации наиболее активных лигаз, реакция останавливалась, а все компоненты смеси вбрасывались в новую реакционную ячейку со свежим субстратом. Там реакции по катализу продолжались опять до тех пор, пока не будет выработан субстрат после чего вещества снова переносились в свежую реакционную ячейку.
В итоге после 70-часового процесса, в ходе которого изначальные молекулы РНК-лигаз претерпели миллиарды репликаций, ученые обнаружили, что
наиболее адаптировавшиеся катализаторы смогли ускорить реакцию в 90 раз по сравнению с изначальной их каталитической активностью.
Их повышенную активность в итоге определили 11 мутаций. Случайность этих мутаций является наиболее показательным примером работы эволюционной теории. Это значит, что, наложив на какие-то другие молекулы эволюционную нагрузку — например, ограниченность субстрата или необходимость селективного взаимодействия с определенным типом реагентов, можно надеяться, что в итоге эволюционировавшие молекулы будут активнее именно в тех типах реакций, где это необходимо.
Однако характер мутаций, обуславливающих преимущества новых молекул, их тип и количество предсказать невозможно.
Два совершенно одинаковых эксперимента могут привести к близким по свойствам молекулам, но совершенно разным по структуре.
Специалисты из Массачусетского технологического института (MIT), «натравив» один штамм бактерий на другой, создали антибиотик, действующий на Helicobacter pylori – одну из причин язвенной болезни желудка.
Филипп Лессард и его коллеги в качестве «фабрики лекарств» взяли почвенные бактерии Rhodococcus fascians, поскольку в их ДНК присутствует большое число генов, похожих на те, что кодируют антибиотики у других бактерий.
Как и молекулы РНК-лигаз в работе Пегеля и Джойса, бактерии Rhodococcus fascians боролись за жизнь - со штаммом Streptomyces padanus. При этом на Rhodococcus накладывалось сразу два фактора естесственного отбора - ограниченность в питательных ресурсах, которые необходимо было отвоевывать у Streptomyces, а так же прямая химическая угроза от Streptomyces, способных вырабатывать в ходе жизнедеятельности антибиотик актиномицин.
При этом ученые использовали так называемый вторичный метаболизм бактерий, находящихся в стрессовом состоянии. В ходе этой деятельности бактерии вырабатывают химические вещества, никак не вовлеченные в нормальный процесс роста и размножения. Во многих случаях ученые наблюдают на первый взгляд выработку совершенно бесполезных химических агентов, однако часто эти вторичные метаболиты обладают свойствами антибиотиков.
Филипп Лессард полагает, что выработка антибиотиков происходит в ходе борьбы различных штаммов за ограниченные питательные ресурсы, потому-то ему и пришла в голову мысль поместить Rhodococcus fascians в экстремальные условия в надежде получить в ходе их борьбы за выживание с Streptomyces padanus новые виды природных антибиотиков. Возможность выработки антибиотиков этим видом почвенных бактерий была «предсказана» Кадзухико Куросавой, расшифровавшим их геном.
Как и ожидалось, в большинстве случаев Rhodococcus не выдерживали конкуренции и полностью истреблялись конкурирующим штаммом бактерий, однако, в одном эксперименте Rhodococcus все же удалось уничтожить Streptomyces, так как бактерии научились вырабатывать два вида новых антибиотиков, называемых теперь родострептомицинами. Лессард отмечает, что получив замечательный результат, его команда до сих пор находит много неясных аспектов проделанной работы. Так, выработка родострептомицинов оказалась возможной только в том случае, когда Rhodococcus сумели «взять на вооружение» новый большой участок ДНК, позаимствованный у Streptomyces.
Как рассказал «Газете.Ru» сам Лессард, его команда в первую очередь нацелена на раскрытие этого механизма, а так же получениемновых видов антибиотиков. Проводить клинические испытания, создавать технологические процессы получения новых антибиотиков - это так же важные задачи, но для другого круга специалистов.
В то же время создатели системы признают, что эволюция молекул и эволюция живых систем — совершенно разные по сложности процессы и их результат может служить лишь наглядной демонстрацией справедливости положений Дарвина, но никак не подтверждением её работы в реальном мире.
