Международная междисциплинарная группа, работающая в Институте наук о жизни и Земле (ELSI) при Токийском технологическом институте, смоделировала эволюцию одного из самых фундаментальных наборов строительных блоков биологии и обнаружила, что он может обладать особыми свойствами, которые помог загрузить себя в его современную форму.
Все живые существа, от бактерий до синих китов и людей, используют почти универсальный набор из 20 закодированных аминокислот (CAA) для построения белков. Этот набор, вероятно, был «канонизирован» или стандартизирован на ранней стадии эволюции; до этого меньшие наборы аминокислот постепенно расширялись по мере того, как организмы развивали новые синтетические способности к корректуре и кодированию. В новом исследовании под руководством Мелиссы Илардо из Университета штата Юта изучалось, как могла происходить эволюция этого множества.
Существуют миллионы возможных типов аминокислот, которые можно найти на Земле или где-либо еще во Вселенной, каждый из которых имеет свои отличительные химические свойства. Действительно, ученые обнаружили, что именно эти уникальные химические свойства наделяют биологические белки, большие молекулы, выполняющие большую часть катализа жизни, их собственными уникальными способностями. Команда ранее измерила, как набор CAA сравнивается со случайными наборами аминокислот, и обнаружила, что только около 1 из миллиарда случайных наборов имеет химические свойства, столь же необычно распределенные, как свойства CAA.
Таким образом, команда решила задать вопрос о том, на что могли быть похожи более ранние закодированные наборы меньшего размера с точки зрения их химических свойств. Существует множество возможных подмножеств современных CAA или других в настоящее время некодируемых аминокислот, которые могли включать более ранние наборы. Команда рассчитала возможные способы получения набора из 3-20 аминокислот, используя специальную библиотеку из 1913 структурно различных «виртуальных» аминокислот, которые они подсчитали, и обнаружила, что существует 1048 способов получения. наборы из 20 аминокислот. Напротив, на Земле всего ~ 1019 песчинок, и только ~ 1024 звезд во всей Вселенной. «Существует так много возможных аминокислот и так много способов их комбинаций, что вычислительный подход был единственным всесторонним способом ответить на этот вопрос», - говорит член команды Джим Кливс из ELSI. «Эффективные реализации алгоритмов, основанные на соответствующих математических моделях, позволяют нам обрабатывать даже астрономически огромные комбинаторные пространства», - добавляет соавтор Маркус Мерингер из Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt.
Поскольку это число очень велико, они использовали статистические методы для сравнения адаптивной ценности комбинированных физико-химических свойств современного набора CAA с таковыми миллиардов случайных наборов из 3-20 аминокислот. Они обнаружили, что CAA, возможно, выборочно сохранялись в ходе эволюции из-за их уникальных адаптивных химических свойств, которые помогают им производить оптимальные белки, в свою очередь помогая организмам, которые могут производить эти белки, становиться более приспособленными.
Они обнаружили, что даже гипотетические наборы, содержащие только один или несколько современных CAA, были особенно адаптивными. Сложно было найти наборы даже среди множества альтернатив, обладающих уникальными химическими свойствами современного набора CAA. Эти результаты показывают, что каждый раз, когда современный CAA открывался и внедрялся в набор биологических инструментов в ходе эволюции, он обеспечивал адаптивную ценность, необычную среди огромного количества альтернатив, и каждый шаг отбора мог помочь запустить развивающийся набор, чтобы включить еще больше CAA, в конечном счете. ведущий к современному набору.
Если это правда, предполагают исследователи, это может означать, что даже при наличии большого разнообразия отправных точек для разработки наборов закодированных аминокислот биология может в конечном итоге прийти к сходному набору. Поскольку эта модель была основана на инвариантных физических и химических свойствах самих аминокислот, это могло означать, что даже жизнь за пределами Земли может быть очень похожа на современную земную жизнь. Соавтор Рудраруп Бозе, ныне работающий в Институте молекулярно-клеточной биологии и генетики им. Макса Планка в Дрездене, далее выдвигает гипотезу о том, что «жизнь может быть не просто набором случайных событий. Скорее, могут существовать некие универсальные законы, управляющие эволюцией жизни."