"Я очарован жизнью, поэтому я хочу сломать ее."
Вот как Бетюль Качар, доцент Аризонского университета, работавшая на кафедре молекулярной и клеточной биологии, кафедре астрономии и Лунной и планетарной лаборатории, описывает свои исследования. То, что может показаться бессердечным, является законным научным подходом в астробиологии. Идея, известная как секвенирование предков, состоит в том, чтобы «воскресить» генетические последовательности с зари жизни, заставить их работать в клеточных путях современных микробов - вспомните «Парк Юрского периода», но с вымершими генами вместо динозавров, и изучить, как организм справляется с этим..
В недавней статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследовательская группа Качара сообщает о неожиданном открытии: эволюция, похоже, не очень хорошо справляется с многозадачностью.
Качар использует секвенирование предков, чтобы выяснить, что движет жизнью и как организмы формируются под давлением эволюционного отбора. Полученные данные могут, в свою очередь, дать ключ к пониманию того, что требуется для того, чтобы органические молекулы-предшественники породили жизнь - будь то на Земле или в далеких мирах. В своей лаборатории Качар специализируется на разработке молекул, которые действуют как крошечные невидимые гаечные ключи, сея хаос в тонком клеточном механизме, который позволяет организмам есть, двигаться и размножаться - короче говоря, жить.
Качар сосредоточила свое внимание на механизме трансляции, лабиринтном молекулярном часовом механизме, который переводит информацию, закодированную в ДНК бактерий, в белки. Все организмы - от микробов до водорослей, деревьев и людей - обладают этим механизмом в своих клетках.
«Мы приближаем все, что касается прошлого, исходя из того, что у нас есть сегодня», - сказал Качар. «Всему живому нужна система кодирования - что-то, что берет информацию и превращает ее в молекулы, способные выполнять задачи, - и трансляционный механизм делает именно это. Он создает алфавит жизни. по крайней мере, в его ядре. Если мы когда-нибудь найдем жизнь где-нибудь еще, готов поспорить, что первое, на что мы обратимся, это ее системы обработки информации, а механизм перевода - это именно то, что нужно."
Механизм поступательного движения настолько важен для жизни на Земле, что даже в течение более чем 3,5 миллиардов лет эволюции его части претерпели лишь незначительные существенные изменения. Ученые назвали это «эволюционной случайностью, застывшей во времени».
«Думаю, я склонен возиться с вещами, которые не должен делать», - сказал Качар. "Заперто во времени? Давайте откроем его. Если его сломать, клетка погибнет? Давайте сломаем его."
Исследователи взяли шесть различных штаммов бактерий Escherichia coli и генетически спроектировали клетки с мутировавшими компонентами их механизма трансляции. Они нацелились на шаг, который снабжает единицу генетической информацией, заменяя челночный белок эволюционными кузенами, взятыми из других микробов, включая реконструированного предка примерно 700 миллионов лет назад..
«Мы проникаем в самое сердце того, что мы считаем одним из самых ранних механизмов жизни», - сказал Качар. «Мы намеренно ломаем его немного и сильно, чтобы увидеть, как клетки справляются с этой проблемой. Делая это, мы думаем, что создаем срочную проблему для клетки, и она ее решит».
Затем команда имитировала эволюцию, заставляя манипулируемые бактериальные штаммы конкурировать друг с другом - как в микробной версии «Голодных игр». Как и ожидалось, тысячу поколений спустя некоторые штаммы оказались лучше других. Но когда команда Качара точно проанализировала, как бактерии реагировали на нарушения в их трансляционных компонентах, они обнаружили нечто неожиданное: первоначально естественный отбор улучшал скомпрометированный трансляционный механизм, но его внимание сместилось на другие клеточные модули, прежде чем производительность механизма была полностью восстановлена.
Чтобы выяснить почему, Качар привлек Сандипа Венкатарама, эксперта по популяционной генетике из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Венкатарам сравнивает этот процесс с игрой в «ударь крота», где каждая родинка представляет собой клеточный модуль. Всякий раз, когда модуль подвергается мутации, он всплывает. Молоток, разбивающий его обратно, - это действие естественного отбора. Мутации случайным образом распределяются по всем модулям, поэтому все родинки появляются случайным образом.
«Мы ожидали, что молот естественного отбора также падает случайным образом, но это не то, что мы обнаружили», - сказал он. «Скорее, он не действует случайным образом, а имеет сильную предвзятость, отдавая предпочтение тем мутациям, которые обеспечивают наибольшее преимущество в приспособленности, и подавляет другие, менее полезные мутации, даже если они также приносят пользу организму."
Другими словами, когда дело доходит до решения проблем, эволюция не является многозадачной.
«Кажется, эволюция близорука», - сказал Венкатарам. «Он сосредотачивается на самой неотложной проблеме, накладывает пластырь, а затем переходит к следующей проблеме, не заканчивая полностью проблему, над которой работал раньше».
«Оказывается, клетки решают свои проблемы, но не так, как мы могли бы их решить», - добавил Качар. «В каком-то смысле это похоже на организацию грузовика доставки, когда он едет по ухабистой дороге. Вы можете складывать и упорядочивать только определенное количество коробок за раз, прежде чем они неизбежно перемешаются., упорядоченное расположение."
Почему естественный отбор действует таким образом, еще предстоит изучить, но исследование показало, что в целом этот процесс приводит к тому, что авторы называют «эволюционным торможением» - в то время как эволюция занята решением одной проблемы, она за счет всех других проблем, которые нуждаются в исправлении. Они пришли к выводу, что, по крайней мере, в быстро развивающихся популяциях, таких как бактерии, адаптация в некоторых модулях застопорится, несмотря на наличие полезных мутаций. Это приводит к ситуации, когда организмы никогда не могут достичь полностью оптимизированного состояния.
«Система должна быть неоптимальной, чтобы эволюция могла что-то предпринять перед лицом возмущений - другими словами, должна быть возможность для улучшения», - сказал Качар.
Качар считает, что эта особенность эволюции может быть характерной чертой любой самоорганизующейся системы, и она подозревает, что этот принцип имеет аналоги на всех уровнях биологической иерархии, восходя к зарождению жизни, возможно, даже к добиотическим временам, когда жизнь еще не материализовались.
При постоянном финансировании Фонда Джона Темплтона и НАСА исследовательская группа в настоящее время работает над использованием секвенирования предков, чтобы вернуться еще дальше во времени, сказал Качар.
"Мы хотим еще больше упростить вещи и создать системы, которые начинаются как то, что мы считаем дожизнью, а затем переходят в то, что мы считаем жизнью."