Эволюция на молекулярном уровне

Согласно теории эволюции, организмы, существующие в настоящее время, произошли от более ранних форм жизни. На молекулярном уровне эволюция изменила у человека и всех других форм жизни некоторые ферменты, которые помогают завершать химические процессы – такие как преобразование пищи в энергию.

Теперь исследователь из Университета штата Айова и его коллеги описали эволюцию различных форм фермента «дигидрофолатредуктазы»: начиная от этого фермента у бактерий, и заканчивая им у человека. Их работа, «Сохранение белковой динамики в ходе эволюции дигидрофолатредуктазы» ("Preservation of Protein Dynamics in Dihydrofolate Reductase Evolution"), появилась в выпуске The Journal of Biological Chemistry за 13 декабря.

Эмнон Коэн, профессор химии в Колледже свободных искусств и наук Университета штата Айова и член Междисциплинарной программы в области молекулярной и клеточной биологии, и его коллеги использовали в своей работе биоинформатику (данные о генетическом секвенировании), компьютерные вычисления, искусственный мутагенез (модификацию ДНК) и кинетические измерения. Они изучили «очеловеченные» формы фермента, который был взят от распространенной бактерии E. coli, чтобы связать действие белковой динамики и катализа с процессом эволюции фермента.

Динамика фермента развивалась в течение миллионов лет, чтобы оптимизировать специфическую катализированную реакцию, которая возникает у человека.

«Ферменты – это критически важные компоненты каждой живой клетки, и они катализируют почти все химические реакции в жизни. Мы изучили, как эволюция происходила на молекулярном уровне», - говорит Коен. «Это исследование – попытка понять, как эволюция целого организма (например, от бактерии E. coli до человека) выражается на молекулярном уровне».

«Мы выбрали фермент "домашнего хозяйства", который имеется почти у всех организмов и необходим для жизни. Этот фермент называется дигидрофолатредуктазой. Он вовлечен в биосинтез ДНК и репликацию клеток», - говорит Коен.

Исследователи «перекинули мост» между бактериальным и человеческим ферментом, создав «очеловеченный» бактериальный фермент, т.е. модифицируя части бактериального фермента, и прививая им аминокислотные последовательности человеческого фермента.

Осуществить это удалось, основываясь на сравнения ферментных последовательностей многих организмов, начиная от бактерий, и заканчивая человеком. «Мы обнаружили, что хотя многие этапы каталитического каскада этих ферментов развиваются, действительное химическое превращение, катализируемое ферментами, сохраняется в процессе эволюции, говоря о том, что даже фермент у бактерий имеет уже превосходно сориентированные реагенты на своем активном участке, так же как и фермент у человека. Такой результат был неожиданным, так как человеческий фермент намного быстрее и отличается генетически», - говорит он.

По словам Коена, исследование имеет большое значение, так как показывает, что динамика фермента сохранилась в ходе эволюции от бактерии к человеку.

«Это открытие значительно влияет на понимание научным сообществом того, что было важным для сохранения эволюционного давления, а что нет», - говорит он. «Взять, например, сохранение динамики ферментов, которые вовлечены в катализирование химического превращения, являются очень быстрыми, и как предполагалось, не играют роли в эволюции. Теперь, полученные нами данные позволяют исследователям рассматривать такую быструю динамику не только в эволюции, но и в разработке препаратов, используемых против этого фермента (а может быть всех ферментов в целом), или разработке биомиметических (вдохновленных природой) катализаторов».

По словам Коена, это исследование отличающихся генетических последовательностей между E. coli и Homo sapiens иллюстрирует процесс эволюции на базовом уровне. «Мы начали с E. coli потому, что она на базовом уровне, и использовали биоинформатику, чтобы проследить эволюцию одного фермента», - говорит он.