Aby uciec przed pasożytami, pierwsze żywe systemy musiały być podzielone na małe kropelki od czasu do czasu • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Biologia molekularna, Ewolucja

Aby uciec przed pasożytami, pierwsze żywe systemy trzeba od czasu do czasu podzielić na małe krople.

Ryc. 1. Cząsteczka RNA, która pełniła rolę replikatora w eksperymencie, składa się z genomu wirusa Qβ (MDV (-) RNA) z wbudowanym rybozymem (trans Ryozym VS). Ribozyme tnie kolejną cząsteczkę RNA, Substrat, produkując dwie krótsze cząsteczki (Produkt), z których jedna zaczyna fluoryzować (pomarańczowe kółko). Po prawej Przedstawiono schemat reprodukcji cząsteczki replikatora przez enzym Q-replikazę (enzym nie może namnażać substratu) w kropli wody unoszącej się w chemicznie obojętnym oleju. Rysunek z omawianego artykułu wNauka

Kluczowym etapem narodzin życia było pojawienie się chemicznych replikatorów – kompleksów cząsteczek zdolnych do samokopiującego się i darwinowskiego rozwoju. Pierwsze replikatory musiały od razu zmierzyć się z problemem replikacyjnych pasożytów – "darmowymi jeźdźcami", wykorzystując zasoby społeczności do własnego rozmnażania i nie dając nic w zamian. Podział może uratować początkowe życie od dominacji pasożytów – rozmnażanie się w małych izolowanych komórkach, takich jak mikrowkórze minerałów lub "protocell" otoczonych błonami lipidowymi. Pokazano eksperymenty na sztucznych replikatorachże w celu ochrony przed pasożytami replikatory nie muszą stale znajdować się w przedziałach: wystarczy okresowe rozdzielanie roztworu na małe kropelki, które następnie mogą się ponownie połączyć. Taki ewolucyjny reżim nie pozwala rozprzestrzeniać się agresywnym pasożytom, ale zachowuje pewną część "umiarkowanych" pasożytów, które nie przynoszą wiele szkody społeczności i mogą służyć jako materiał źródłowy dla przydatnych ewolucyjnych innowacji.

Pierwsze eksperymenty ewolucyjne na sztucznych replikatorach – kompleksach cząsteczek, które rozmnażają się poza żywą komórką – zostały przeprowadzone już pod koniec lat sześćdziesiątych. Wygodnym układem modelowym dla takich eksperymentów są składniki bakteriofagowego Qβ: cząsteczka RNA, która jest genomem wirusowym, oraz jej enzym, replikaza Qβ (patrz replikaza Qβ), która propaguje wirusowe RNA (DR Mills, RL Peterson, S. Spiegelman, 1967 Eksperyment zewnątrzkomórkowego darwinizmu z samopodującą się cząsteczką kwasu nukleinowego).

W takim systemie selekcja obsługuje cząsteczki RNA z dowolnymi mutacjami, które zwiększają szybkość replikacji. W rezultacie pierwotny genom wirusa gwałtownie ulega degradacji, traci ponad 80% swojej długości i ostatecznie przekształca się w tak zwany "potwór Spiegelmana" – małą cząsteczkę RNA, która ma niewiele wspólnego z pierwotnym genomem wirusowym, ale następnie reprodukowana przez replikazę Qβ z maksymalną prędkością.W rzeczywistości tylko sekwencje sygnałowe nukleotydów są niezbędne do rozpoznania cząsteczki przez enzym replikowy i do rozpoczęcia procesu replikacji.

Eksperymenty te wyraźnie podkreśliły poważny problem, z którym musi stawić czoła pojawiające się życie. Gdy tylko istnieje wspólnota cząsteczek (na przykład rybozymów) zdolnych do wytwarzania własnych kopii, pasożyty muszą natychmiast zacząć w niej występować – zmutowane cząsteczki, które mogą szybko rozmnożyć się na czyimś koszt, nie przynosząc korzyści społeczności. Jeśli pojawiające się życie nie jest w stanie obronić się przed takimi free-riderami, ich niekontrolowane rozmnażanie nieuchronnie i bardzo szybko je zniszczy.

Podziałanie pomaga uciec przed pasożytami, to jest izolacją małych fragmentów rozmnażających się cząsteczek w izolowanych komórkach (przedziałach). W takim przypadku wybór grupy będzie działał na poziomie komórek, co da przewagę populacji tych komórek, w których występuje niewiele pasożytów. Selekcja grupowa przeciwdziała indywidualnej selekcji na poziomie poszczególnych cząsteczek, co daje pierwszeństwo pasożytom.

"Protocell" (patrz Protocell), otoczony prymitywnymi membranami z abiogenicznie syntetyzowanych kwasów tłuszczowych, alkoholi i lipidów (patrz linki na końcu wiadomości), może służyć jako początkowe przedziały. Jednak, aby skutecznie kontrolować wzrost i rozmnażanie się protocelu, pozornie znajdujący się w nim replikator chemiczny powinien już być dość skomplikowany, podczas gdy problem wolnych zawodników wznosi się do pełnej wysokości już przed pierwszymi, najprostszymi replikatorami. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, czy jakiekolwiek prostsze opcje kompartmentalizacji (w tym tymczasowa kompartmentacja z okresowym łączeniem zawartości przedziałów z powrotem do "wspólnej puli") mogą chronić powstające życie przed pasożytami.

Uzyskano już dowody doświadczalne, że podział może rzeczywiście chronić prymitywne replikatory przed dominacją wolnych jeźdźców (N. Ichihashi i in., 2013. Darwinowska ewolucja układu sprzężonego z tłumaczeniem, Y. Bansho i in., 2016. System replikacji RNA oscylacyjnego gospodarza-pasożyta). W takich doświadczeniach rolę przegród odgrywają zazwyczaj kropelki wody z rozpuszczonymi składnikami (na przykład tą samą cząsteczką Qβ-replikaza i RNA), które unoszą się w chemicznie obojętnym oleju.

Biolodzy i chemicy z Francji, Węgier, Niemiec i Japonii zrobili kolejny krok w tym kierunku, pokazując, że nawet tymczasowa kompartmentacja, naprzemiennie z okresami łączenia się przedziałów, jest w stanie uratować proste replikatory przed wyginięciem spowodowane niekontrolowanym odtwarzaniem pasożytów. Taka okresowa kompartmentalizacja może wystąpić, na przykład, podczas tworzenia się aerozoli lub w mikrownękach minerałów w pobliżu źródeł termicznych.

W eksperymencie rolę replikatora odegrał fagowy genom Qβ, w którym wstawiono fragment RNA o aktywności enzymatycznej (rybozym) zapożyczony z mitochondrialnego genomu grzyba Neurospora (patrz: H. C. Guo, R. A. Collins, 1995. Wydajne cięcie trans przez pętlę macierzystą pochodzącą z RNA VS neurospora). Ten rybozym może wycinać inne cząsteczki RNA w określonych miejscach. W eksperymencie wykorzystano cząsteczkę RNA z dołączonym pomarańczowym znacznikiem fluorescencyjnym jako substratem (czyli cząsteczką do przecięcia), zaprojektowaną tak, aby fluorescencja rozpoczynała się dopiero po odcięciu substratu przez rybozym (ryc. 1). Mnożenie replikatora (genom fagowy Qβ ze zintegrowanym rybozymem) reprodukowano przy użyciu replikazy Qβ. Cząsteczka substratu nie propaguje tego enzymu.Proces replikacji był monitorowany przy użyciu zielonego barwnika fluorescencyjnego dla RNA (im więcej cząsteczek RNA w próbce, tym jaśniejsza zielona fluorescencja). W trakcie replikacji, zgodnie z oczekiwaniami, pojawiły się losowe mutacje, w tym delecje, fragmenty RNA, z pewną częstotliwością.

Autorzy porównali trzy reżimy ewolucyjne.

W pierwszym przypadku replikator ewoluował po prostu w roztworze, bez kompartmentalizacji. Proces trwał trzy godziny, następnie z roztworu wyizolowano RNA, dodano nowe odczynniki i rozpoczęto nowy cykl.

W drugim przypadku roztwór poddano kompartmentalizacji – oddzieleniu około miliona kropelek o średnicy 28 μm. Po trzech godzinach wszystkie krople połączono, RNA wyizolowano z nich i przeniesiono do następnego cyklu.

W trzecim przypadku wszystko wykonano w taki sam sposób, jak w drugim, z jedyną różnicą: po trzech godzinach replikacji nie wszystkie połączone kropelki, ale tylko te, w których zaobserwowano silną pomarańczową fluorescencję. Innymi słowy, te krople zostały wybrane, w których replikator nie utracił swojej funkcji enzymatycznej – zdolność do cięcia "podłoża". Do wyboru kropli fluorescencyjnych wykorzystano specyficzny wariant wcześniej opracowanej metody sortowania komórek fluorescencyjnych (patrz: sortowanie komórek aktywowane fluorescencyjnie (FACS), J.-C. Baret i wsp., 2009.Aktywowane fluorescencyjnie sortowanie kropel (FADS): wydajne sortowanie komórek mikroprzepływów w oparciu o aktywność enzymatyczną).

W pierwszym scenariuszu ewolucyjnym (bez podziału na sekcje i bez sztucznej selekcji), funkcjonalne replikatory-rybozymy całkowicie wymarły w czwartym cyklu. Populacja została opanowana przez pasożyty: krótkie zmutowane cząsteczki RNA o dramatycznie zwiększonej szybkości replikacji, bez aktywności katalitycznej (niezdolne do cięcia substratu). Jednocześnie różnorodność powstałych pasożytów była niewielka. Można było tego oczekiwać, ponieważ w tym scenariuszu selekcja dotyczyła tylko prędkości replikacji, niezależnie od tego, jak wpłynęło to na funkcjonalność cząsteczek.

W drugim scenariuszu (z kompartmentalizacją, ale bez sztucznej selekcji) wynik końcowy był taki sam: funkcjonalne replikatory-rybozymy zostały całkowicie wyparte przez pasożyty. To prawda, zajęło to więcej czasu: nie trzy lub cztery cykle, ale sześć lub siedem. Wydaje się, że opóźnienie tłumaczy się tym, że okresowa kompartmentalizacja spowalnia rozprzestrzenianie się mutantów o wysokiej szybkości replikacji: nie mogą one rozprzestrzeniać się poza granice kropli, w których powstały, aż do następnej kombinacji kropli.

W trzecim scenariuszu funkcjonalne replikatory-rybozymy nie zostały zastąpione przez pasożyty nawet po dziewięciu cyklach (w tym doświadczeniu eksperyment został zakończony). Tak więc eksperymentalnie potwierdzono pogląd, że okresowa komasacja pomaga prymitywnym replikatorom w obronie przed pasożytami. To prawda, że ​​w tym przypadku wciąż pojawiała się pewna liczba pasożytniczych replikatorów – skróconych cząsteczek RNA o zwiększonej szybkości replikacji, które nie mają aktywności katalitycznej. Jednak te pasożyty były po pierwsze mniej agresywne: tylko nieznacznie (1,1- 1,2 razy) w tempie reprodukcji przekraczały funkcjonalne replikatory rybozymu, podczas gdy w pierwszych dwóch przypadkach zwycięskie pasożyty mnożyły się 1,4 -1,6 razy szybszy niż oryginalna cząsteczka. Po drugie, różnorodność genetyczna tych "umiarkowanych" pasożytów była wyższa niż w dwóch pierwszych przypadkach.

Obie cechy pasożytów replikujących, które rozprzestrzeniły się w okresowej selekcji i selekcji – umiarkowanie i zwiększona różnorodność – wynikają prawdopodobnie z faktu, że dobór kropli, w których zachowana została aktywność katalityczna, skutecznie przeciwdziała indywidualnej selekcji na poziomie poszczególnych cząsteczek.Selekcja grupowa powoduje, że zachowanie katalitycznej aktywności kropli jako całości jest istotne dla samych pasożytów. W tych warunkach agresywni pasożyci, niezwykle zoptymalizowani pod kątem szybkości rozmnażania (a zatem mniej więcej tak samo), skazują spadek, w którym wyhodowali, na śmierć, ale jednocześnie sami umierają (są odrzucani) wraz z nim. Dlatego agresywne pasożyty w tych warunkach nie mogą się rozprzestrzeniać. Jeśli chodzi o umiarkowane pasożyty, tylko nieznacznie przekraczające początkową cząsteczkę w tempie reprodukcji, nie powodują zauważalnego uszkodzenia kropli jako całości i dlatego pozostają. Są bardziej zróżnicowane niż agresywne pasożyty, ponieważ istnieje więcej sposobów na zwiększenie prędkości replikacji, niż sposobów na zwiększenie ich do granic możliwości. W trakcie dalszej ewolucji tak nieszkodliwi współmieszkańcy mogą stać się cennym źródłem genetycznych innowacji dla rozwijającego się żywego systemu. Rzeczywiście, w każdym z nich może wystąpić mutacja, która zamieni umiarkowanego pasożyta w użyteczny składnik społeczności.

Dodatkowe eksperymenty pokazały, że w scenariuszu "podział i wybór" przebieg ewolucji zależy od średniej liczby cząsteczek RNA, które wpadają w każdą kroplę.Im jest on mniejszy, tym skuteczniejsze jest odrzucanie pasożytów i im mniejsza jest proporcja pasożytniczych cząsteczek RNA w całej populacji replikatorów.

Wyniki tego badania mają coś wspólnego z innym eksperymentem ewolucyjnym, w którym wykazano, że okresowe "zraszanie" mieszanej kultury bakterii-egoistów i bakteryjno-kooperantów umożliwia powstrzymanie wzrostu globalnej liczby egoistów, pomimo faktu, że w każdym pojedynczym strumieniu zawsze wzrasta udział egoistów ( patrz: Altruiści rozkwitają z powodu statystycznego paradoksu, Elementy, 16 stycznia 2009 r.).

Badania wykazały, że położenie kresu rozpowszechnionej reprodukcji pasożytów replikacyjnych w prymitywnych organizmach żywych jest łatwiejsze niż wcześniej sądzono. Nie wymaga to tak złożonych struktur jak protocell z membranami lipidowymi. Okresowe opryskiwanie roztworem replikatorów (z późniejszym spływaniem kropelek z powrotem do zbiornika), które mogło wystąpić w aktywnych zbiorniczkach geotermalnych młodej Ziemi, wystarcza.

Źródło: Shigeyoshi Matsumura, Ádám Kun, Michael Ryckelynck, Faith Coldren, András Szilágyi, Fabrice Jossinet, Christian Rick, Philippe Nghe, Eörs Szathmáry, Andrew D. Griffiths. Przejściowa kompartmentalizacja replikatorów RNA zapobiega wyginięciu z powodu pasożytów // Nauka. 2016. V. 354. P. 1293-1296. DOI: 10.1126 / science.aag1582.

Zobacztakże o eksperymentach z protokołami i prostymi replikatorami:
1) Ewolucja pod kontrolą komputerową, "Elementy", 12.04.2008.
2) Sztuczna protoceluloza syntetyzuje DNA bez pomocy enzymów, "Elements", 09.06.2008.
3) Wkrótce rozwikłana zostanie tajemnica pochodzenia życia ?, "Elements", 12.01.2009.
4) Rybozymy mogą się wzajemnie rozmnażać, "Elements", 04/13/2011.
5) Synteza RNA w "proto-komórkach" jest nadal możliwa, "Elementy", 02.12.2013.
6) Utworzono rybozymy, syntetyzując własne kopie lustrzane, "Elements", 11.03.2014.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: