Пенсионный советник

Эволюция по заказу

Химики научились управлять эволюцией биологических РНК-катализаторов

Алексей Петров 09.04.2008, 12:17

В США создана машина, которая осуществляет направленную эволюцию без вмешательства человека. Работает аппарат в полном соответствии с принципами теории Дарвина и за трое суток способен в 90 раз улучшить качество биологических катализаторов.

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.

Начинается процесс отбора с того, что в модельную реакцию катализа вовлекается набор немного отличающихся друг от друга РНК-ферментов, называющихся РНК-лигазами. В живых организмах РНК-лигазы осуществляют соединение двух молекул РНК с образованием фосфодиэфирной связи. Те ферменты, что катализируют эту реакцию, автоматически прикрепляют к своей молекуле так называемую промоторную РНК-последовательность, наличие её позволяет таким молекулам РНК вступить в реакцию с РНК-полимеразой.

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.

Автоматизированная эволюционная лаборатория

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.

Движущей силой эволюции молекул являлось постепенное сокращение количеств субстрата, в реакцию с которым и вступали катализаторы. Эти свойства аналогичны свойству изменчивости живых систем, а также возможности передачи нового, мутировавшего генома по наследству. В качестве фактора давления естественного отбора выступает именно ограниченность реакционного субстрата.

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.

Разработка ученых может найти применение в создании новых высокочувствительных биологических сенсоров, создании новых катализаторов или получении молекул с совершенно новыми свойствами. Кроме того, трудно переоценить образовательное значение таких систем: теперь студенты и школьники да и все желающие могут своими глазами увидеть эволюционную теорию в действии.

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.