Дарвиновские эксперименты Спигелмана

Вторая задача, в частности достижение темпа мутаций, достаточного для возможно большей скорости эволюции, решается не так просто. Темп мутаций должен быть «соразмерным» — не слишком быстрым и не слишком медленным. Таким образом, вторая задача решается выработкой механизмов регулирования частоты мутаций. В последние годы была обнаружена неожиданно сложная и совершенная биохимическая система регулирования темпа мутаций. Один из существенных ее механизмов — процесс ферментативной репарации поврежденных молекул ДНК, катализируемый так называемыми репаразами.
Обеспечение возможно более интенсивной жизнедеятельности решается передачей соответствующих функций белкам. Однако интенсивная работа «дорого стоит» макромолекулам белков. Эти молекулы все время повреждаются и ломаются. Взамен синтезируются новые. Таким образом, чем интенсивнее функция белков, тем интенсивнее они обновляются. Это постоянное их обновление стало очевидным после первых же опытов Р. Шонхей-мера с изотопной меткой. По существу, после возникновения механизма синтеза белка на полинуклеотидных матрицах, дальнейшая эволюция состоит в совершенствовании белков, полипептидных цепей. Кинетические свойства самих матричных полинуклеотидных молекул перестают быть факторами эволюции. Фенотип, т. е. результат реализации наследственных свойств в жизнедеятельности (кинетические свойства) отделяется от генотипа, т. е. совокупности наследственных текстов (информационно-термодинамические свойства), т. е. белковый фенотип отделяется от нуклеотидного генотипа. Такое разделение кинетики и термодинамики, фенотипа и генотипа, не нужно понимать слишком буквально. Речь идет лишь о ведущих критериях, естественного отбора, физико-химических факторах эволюции.
Справедливость представлений о приложимости дарвинизма к процессам на молекулярном уровне, возможность естественного отбора в растворе макромолекул, доказана Спигелманом. Более того, из его опытов следует н правильность вывода о кинетическом совершенстве как критерии естественного отбора.
Спигелман исследовал репликацию молекул РНК, катализируемую выделенным из Qp-фага очищенным ферментом, Qp-pe-пликазой. Этот фермент использует в качестве матриц молекулы фаговой РНК и катализирует образование на матрице новых молекул РНК из нуклеотидов. При проведении синтеза рибонуклеиновой кислоты в эксперименте было обнаружено возникновение «мутантов» — молекул РНК, отличающихся от исходных матричных молекул большей скоростью репликации. Такие мутанты размножались при посредстве того же фермента Qp-репликазы. Получение клонов этих мутантов достигалось последовательными «пересевами» (молекул!) — переносом небольшой части инкубационной смеси, в которой процесс репликации завершился, в новую инкубационную смесь, содержащую фермент и трифосфорибонуклеотиды УТФ, ЦТФ, АТФ, ГТФ. Оказалось, что достаточно попадания в новую среду одной молекулы мутанта для образования нового клона популяции таких же молекул. В работе было показано, что после 74 переносов можно выделить мутант, у которого скорость репликации в 15 раз превышает скорость репликации исходной, «родительской» РНК фр-фага. Такое увеличение этой скорости, по-видимому, обусловлено уменьшением длины молекулы РНК — вместо 3600 нуклеотидных остатков в исходной РНК в мутанте их оказалось лишь 550. (В мутантных молекулах РНК для обеспечения высокой скорости размножения не требуется большинства последовательностей нуклеотидов, «осмысленных» предшествующей эволюцией фага).
Затем авторы цитируемой выше работы исследовали возможность возникновения в условиях молекулярного дарвиновского эксперимента молекул-мутантов с определенными новыми свойствами (т. е. молекул, отличающихся не только скоростью репликации). Был получен мутант, способный быстрее реплицироваться при меньших концентрациях субстратов (например, ЦТФ). Нуклеотидный состав и размер этой молекулы-мутанта примерно такие же, как и у исходной формы. Следовательно, отбор привел к изменению последовательности нуклеотидов в РНК • Как оказалась, ее изменение происходит при меньших концентрациях не только ЦТФ, но и других нуклеотидтрифосфатов. Быть может в результате изменения последовательности нуклеотидов изменилась вторичная структура мутантных молекул РНК, что привело либо к взаимодействию последних с ферментом, либо к увеличению активности фермента посредством алло-стерических механизмов. Затем были получены мутанты, способные к репликации в присутствии веществ, нарушающих репликацию «нормальной» РНК, — сначала авторы обнаружили мутант, чувствительный к концентрации АТФ, (мутант У-8), а затем осуществили серию переносов (пересевов) в среды, содержащие ингибиторный аналог АТФ (туберцидинтрифосфат (ТуТФ), содержащий в положении 7 пуринового кольца вместо азота углерод). В результате возник мутант У-9 вдвое быстрее реплицирующийся в присутствии ТуТФ, чем У-8.
Таким образом, в этих опытах показана решающая роль кинетических факторов в эволюции — побеждают в отборе те мутанты, скорость размножения которых,в данных условиях выше.







Материалы

Яндекс.Метрика