Ошибки в структуре белка запустили эволюцию биологической сложности

За четыре миллиарда лет эволюции растения и животные стали намного сложнее своих одноклеточных предков. Новое сравнение белков, общих для разных видов, показывает, что сложные организмы, включая человека, накопили структурные слабости, которые, возможно, и запустили долгий путь от микроба к человеку.

Исследование, опубликованное в Nature, предполагает, что случайное появление ошибок в белках, а не традиционный естественный отбор, могло стимулировать эволюцию биологической сложности. Дефекты в «упаковке» белков, делающие их менее стабильными в воде, могли способствовать взаимодействию белков и внутриклеточному сотрудничеству, расширяя возможности жизни.

«Мы утверждаем, что неэффективный отбор создает нишу или возможность для эволюции сложности», — говорит соавтор исследования Ариэль Фернандес.

Исследователи сравнили более 100 белков, общих для 36 видов с разной численностью популяции. Они сосредоточились на дефектах упаковки — «дегидронах» — участках, уязвимых для химических реакций с водой. Белки с большим количеством дегидронов менее стабильны в водной среде и склонны связываться с другим белком для защиты уязвимых областей.

Ключевые выводы:

• Вычислительный анализ 106 ортологичных белков подтвердил, что белки видов с меньшей численностью популяции (как у крупных млекопитающих и человека) более уязвимы в воде.
• Это указывает, что структурные ошибки накапливаются у крупных организмов из-за случайного генетического дрейфа, а не отбора.
• Нестабильные, «липкие» белки чаще образуют комплексы, что может приводить к появлению более сложных функций за счёт «командной работы».
• Если такие комплексы дают преимущество, естественный отбор закрепляет их в популяции.

«Это не аргумент против отбора, это аргумент в пользу того, что неадаптивные механизмы открывают новые эволюционные пути», — отмечает соавтор Майкл Линч.

Эксперимент с бактериями, имеющими популяции разного размера, подтвердил, что накопление дефектов предшествует, а не является результатом образования комплексов.

Важные последствия:

• Накопление слишком большого количества структурных дефектов опасно и может приводить к агрегации белков (как при болезни Альцгеймера).
• Открытие может революционизировать биоинженерию, где используются инструменты эволюции.