Ученые воссоздали эволюцию сложности с помощью «молекулярных путешествий во времени»

Ученые из Чикагского и Орегонского университетов экспериментально показали, как несколько малых мутаций повысили сложность молекулярной машины более 800 миллионов лет назад. Исследование опубликовано 8 января в журнале Nature.

Метод «молекулярных путешествий во времени»

Команда использовала биохимическое «воскрешение» древних генов, чтобы реконструировать все белки молекулярной машины до и после усложнения. Проанализировав последовательности 139 современных белков, они вычислили вероятные предковые гены, синтезировали их и экспрессировали в современных дрожжевых клетках.

Объект исследования: протонный насос V-ATPase

Исследователи сосредоточились на кольце протонного насоса V-ATPase, которое поддерживает кислотность клеточных компартментов. У большинства видов это кольцо состоит из шести копий двух разных белков, но у грибов в комплекс был включен третий тип белка.

Ключевой механизм: дупликация и дегенерация

Третий компонент появился после дупликации гена одного из субъединиц древнего двухбелкового кольца с последующим расхождением дочерних генов.

• Предковый белок (до дупликации) был универсальным: его экспрессия «спасала» современные дрожжи, у которых были удалены гены потомков.
• Белки-потомки (после дупликации) утратили часть функций предка и могли компенсировать потерю только одного гена каждый.

Усложнение произошло из-за комплементарной потери исходных функций, а не приобретения новых. Каждый дублированный белок потерял способность взаимодействовать с некоторыми партнерами в кольце. В результате оба стали обязательными компонентами для сборки и работы комплекса.

Простая генетическая основа

Эксперименты с историческими мутациями показали, что для утраты специфических функций и перехода к трехбелковому кольцу в каждой из двух линий потомков было достаточно всего по одной мутации.

Выводы и значение

Нарастание сложности молекулярных машин в ходе эволюции может объясняться накоплением простых дегенеративных изменений после дупликаций генов. Этот механизм противоречит концепции «неупрощаемой сложности» (irreducible complexity) в аргументах сторонников разумного замысла.

«Это не похоже на прецизионно сконструированные машины. Это группы молекул, которые слипаются друг с другом, собранные в ходе эволюции методом проб и ошибок, деградации и простой удачи», — отметил старший автор работы Джо Торнтон.