Взгляд в эволюцию белков

Исследователи из ETH Zurich заглянули на несколько миллиардов лет назад, когда жизнь на Земле только зарождалась. В лабораторном эксперименте они изучили, как мог эволюционировать примитивный белок. Это путешествие в прошлое также дало учёным представление о будущем синтетической биологии.

Первые белки, сформировавшиеся сотни миллионов лет назад, вероятно, состояли из сокращённого набора всего из 7–8 различных аминокислот, в отличие от современных белков, которые обычно содержат 20 аминокислот.

Команда под руководством профессора Дональда Хильверта смоделировала, как мог расширяться минимальный исходный аминокислотный репертуар в ходе эволюции.

Эволюция упрощённого фермента

Учёные провели эксперименты по эволюции с синтетическим белком, созданным ранее в их лаборатории. Он основан на существующем ферменте — хоризматмутазе. Однако, в то время как природный фермент состоит из всех 20 аминокислот, синтетический белок содержит сокращённый репертуар только из 9. «Наша синтетическая хоризматмутаза выполняет ту же функцию, что и её природный аналог, но менее стабильна и активна», — говорит Хильверт.

Исследователи изучили, насколько можно оптимизировать упрощённый белок и как он ведёт себя при расширении аминокислотного репертуара — подобно тому, как это могло происходить в ходе эволюции. Они ввели ген этого белка в бактерии, не имеющие природной хоризматмутазы, и позволили им расти в биореакторе в течение полутора месяцев. В ходе эксперимента в генетическом материале естественным образом возникали мутации.

Неожиданно незначительные изменения

Ген и белок действительно изменились, но лишь незначительно, хотя и с серьёзными последствиями: ферментативная активность и стабильность белка возросли. Учёных удивило, что изменения в аминокислотной последовательности были сравнительно малы. Белок состоит примерно из 100 аминокислот, но изменились только две: изолейцин был заменён на треонин, а лейцин — на валин. «Структурно это очень незначительные изменения. Новые аминокислоты не сильно отличаются от тех, которые они заменяют», — отмечает Хильверт. Исследователи ожидали большего количества более существенных изменений. «Даже если две мутации очень консервативны, мы смогли показать, что они дают белку явное селективное преимущество», — объясняет Хильверт.

Выводы для синтетической биологии

Эта работа не только позволяет заглянуть в историю эволюции, но и даёт важные выводы для синтетической биологии. Часть этой области исследований включает расширение функциональности белков и организмов с помощью молекул, не существующих в природе.

Сегодня синтетические ферменты уже используются в медицине и промышленности. В будущем они могут содержать не только 20 природных аминокислот, но и дополнительные синтетические. Ожидается, что больший репертуар предоставит больше возможностей для конструирования искусственных ферментов, например, в отношении их каталитической функциональности. Кроме того, ферменты из синтетических аминокислот должны медленнее разрушаться в организме или в производственном процессе, что может быть полезно для некоторых медицинских или промышленных применений.

«Один из уроков этого проекта заключается в том, что при дальнейшем развитии аминокислотного репертуара в синтетической биологии не следует рассматривать только впечатляющие синтетические аминокислоты, — говорит профессор Питер Каст, также участвовавший в проекте. — Аминокислоты с незначительными отличиями от природных также оказались очень полезными».

Почему биология использует «всего» 20 стандартных аминокислот?

Генетический код, лежащий в основе всей современной жизни на Земле, фактически допускает более 20 универсальных аминокислот. Каждая аминокислота в белке кодируется последовательностью из трёх нуклеотидных оснований (триплет). Алфавит ДНК содержит четыре разных основания, что даёт 64 возможных триплета (4³). Таким образом, генетическим кодом можно было бы описать до 64 различных аминокислот. Однако природа «программирует» ограниченный набор из 20 аминокислот и избыточный код: как правило, каждая аминокислота описывается несколькими триплетами.

Одна из причин, вероятно, в том, что эта избыточность смягчает последствия мутаций в ДНК, что, очевидно, было преимуществом в ходе эволюции. «С репертуаром из двадцати универсальных аминокислот эволюция достигла моментального оптимума», — говорит профессор ETH Zurich Дональд Хильверт.

Помимо 20 универсальных аминокислот, более сложный механизм включения позволяет использовать 21-ю аминокислоту — селеноцистеин. Он встречается во многих живых организмах, включая человека. У некоторых микроорганизмов, архей, есть даже 22-я аминокислота — пирролизин. Это позволяет учёным сделать вывод, что генетический код продолжал эволюционировать в течение последнего миллиарда лет. Хильверт: «Эволюция, очевидно, не закончена. Вполне возможно, что со временем в код будут включены дополнительные аминокислоты».