В нескольких словах
Исследование выявило, что ограничение на увеличение размера белков стало ключевым фактором, который привел к развитию сложных клеток (эукариот) из простых (прокариот). Клетки перешли к использованию некодирующих участков ДНК для регулирования генетической информации, что стало альтернативным эволюционным путем.
Как простые клетки дали начало сложным: найдена математическая формула
У каждой науки есть фундаментальные вопросы, остающиеся без ответов, которые служат горизонтом для исследователей. В биологии один из них – как простые клетки (прокариоты), такие как бактерии, дали начало сложным (эукариотам) 2 миллиарда лет назад, необходимым для развития многоклеточных организмов. Сотрудничество испанских исследователей в области биологии, физики и вычислительной техники в различных университетах позволило найти ответ и математическую формулу, доказывающую это, согласно публикации в PNAS: ограничение на дальнейшее увеличение размера белков привело к изменению стратегии, которая обратилась к генетике для уникальной, резкой и решающей модификации в жизни.
Жорди Баскомпте, профессор экологии Цюрихского университета, лауреат премии Маргалефа и соавтор исследования, вспоминает, как британский биохимик Ник Лейн, исследователь из Университетского колледжа Лондона, признавал в своей книге «Жизненный вопрос» (Ariel, 2016): «Неизвестны эволюционные посредники между морфологически простым состоянием прокариот и тревожно сложным общим предком эукариот. Все эти атрибуты сложной жизни находятся в филогенетическом вакууме, черной дыре в сердце биологии». Исследование, опубликованное сегодня, проливает свет на эту темную область, имеющую основополагающее значение для понимания того, что мы есть и почему.
До 2 миллиардов лет назад клетки могли становиться более сложными, удлиняя белки для завершения более сложных процессов регуляции генов, но эта стратегия была ограничена: эволюция должна была найти другой путь. Внезапно, без промежуточных этапов, как физический процесс магнетизма в металлах или переход воды из жидкого состояния в лед, эта простая клетка начала использовать части ДНК, которые не кодируют белки, такие как интроны (ошибочно называемые «мусорной ДНК»), для регулирования генетической информации.
Теория эндосимбиоза, предложенная Линн Маргулис, гласит, что две простые клетки объединились (обычно это иллюстрируется тем, что одна съела другую) в симбиотические отношения (взаимовыгодные), которые позволили развить митохондрии, энергетический центр жизни, и другие органеллы.
«Это объясняет принцип», — утверждает Баскомпте. Его исследование, разработанное совместно с Энрике М. Муро (исследователем в области физики и вычислительной биологии в Майнцском университете имени Иоганна Гутенберга), Фернандо Х. Бальестеросом (астробиологом и доктором физики Валенсийского университета) и Бартоло Луке (доктором физических наук Политехнического университета Каталонии), является дополнительным. «Симбиотическое происхождение установлено, доказательства очень сильны, и мы должны принять, что это было так, но оставалось объяснить, как, исходя из этого, можно было прийти к новой системе регуляции генов, которая позволила бы поддерживать этот новый уровень клеточной организации, и наша работа проливает свет в этом направлении», — уточняет каталонский биолог.
Подробнее: Микроб, пожирающий микробов, проясняет решающий шаг в эволюции жизни на Земле
«После этого симбиотического происхождения новая клетка должна организовать эту сложность. Для этого ей нужен не только первый момент симбиоза, но и серия изменений, которые позволяют ей использовать новую форму регуляции генов. Удлинение белков было единственным способом со времен возникновения жизни для повышения сложности процесса регуляции генов, но наступает момент, когда это становится невозможным. С короткими белками время, необходимое для их свертывания, или ограничения, существующие для их свертывания, относительно невелики. Но по мере увеличения длины белка ограничения на его функциональное свертывание становятся все больше, поскольку пространство возможностей становится огромным», — уточняет Баскомпте. Эволюция сталкивается с вычислительным пределом.
Биолог иллюстрирует это классической компьютерной проблемой логистических маршрутов: самый эффективный путь между двумя или тремя пунктами назначения прост, но по мере роста сети доставки сложность и, следовательно, время вычислений для поиска решения очень быстро возрастают.
Эта альтернативная биологическая стратегия, которую исследование переводит в математический алгоритм, предсказывающий эволюционное решение, заключалась в регуляции генов, продолжении создания ДНК, которая больше не кодирует удлинение белков, участков (интронов), которые вносят вклад в это новое решение. «Они позволяют выполнять перестановки, увеличивать количество решений и, следовательно, облегчают поиск одного из этих решений для разработки более высоких уровней сложности», — упрощает Баскомпте.
Чтобы продемонстрировать свое предложение, команда разработала модель мультипликативного роста генов, которая объясняет эти биологические закономерности и делает ряд прогнозов о распределении длин генов и белков. «Данные подтверждают все», — подчеркивает профессор экологии из Швейцарии. «Модель — это способ показать ограничения предыдущей стратегии, основанной исключительно на белках, и то, как эволюция могла обойти это ограничение, поддерживая механизм роста генов, который сохранялся на протяжении эволюции», — добавляет он.
Работа не только предлагает решение одной из величайших загадок биологии, но и кристаллизует сотрудничество, начатое 30 лет назад между учеными из разных областей, которые тогда делили кабинет и доску, где изливали свои стремления к ответам. «Эта междисциплинарность и поиск мостов между дисциплинами зародились в тот момент. Это было очень приятное время», — вспоминает он.
Баскомпте признает, что у работы есть ограничения, такие как невозможность иметь организмы возрастом 2 миллиарда лет и необходимость делать вывод об эволюционном шаге на основе современных бактерий и грибов.
Биолог Жорди Баскомпте.
Но, несмотря на это ограничение, они считают, что нашли не только ответ на то, что произошло 2 миллиарда лет назад, но и на то, как это произошло. В этом смысле Баскомпте вспоминает, как его «великий учитель [Рамон] Маргалеф говорил, что в биологии мало фундаментальных законов, и в любом случае все они типа «запрещено проходить»». Именно с таким ограничением столкнулась жизнь перед невозможностью дальнейшего удлинения белков, и решением было резкое, без промежуточных фаз. «Любая альтернативная форма была бы нестабильным решением, которое не смогло бы пережить потрясения», — объясняет он. И заключает: «Способность примирить случайность эволюции и универсальность физики действительно позволяет понять красоту жизни».
Биотехнолог Сезар де ла Фуэнте из Пенсильванского университета считает «захватывающей» работу, опубликованную PNAS, за «инновационный подход к одной из величайших загадок биологии».
«Авторы проанализировали более 33 000 различных геномов и обнаружили, что существует универсальная и математически четкая связь между средней длиной генов и их изменчивостью, которая сохраняется от самых простых бактерий до таких сложных организмов, как позвоночные», — подчеркивает Де ла Фуэнте, не участвовавший в исследовании.
«Больше всего меня поражает, — добавляет исследователь, лауреат премии принцессы Жироны, среди прочих, — то, как исследование связывает это биологическое наблюдение с концептуальной основой, характерной для информатики и математики. Они предполагают, что появление эукариотических клеток могло быть своего рода «алгоритмическим фазовым переходом», сравнимым с тем, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое».
«Лично мне очень интересна эта аналогия между биологической эволюцией и вычислительными алгоритмами. Этот подход позволяет делать конкретные прогнозы, например, оценивать, что первые эукариотические клетки появились примерно 2,6 миллиарда лет назад, или что существует критическая длина генов (около 1500 пар оснований), при которой произошел этот эволюционный скачок. Я думаю, что эта работа дает нам уникальную перспективу того, как определенные физические и вычислительные ограничения оказали глубокое влияние на нашу эволюционную историю. Это помогает объяснить, как жизнь достигла сложности, необходимой для обеспечения существования многоклеточных организмов, включая растения, животных и, конечно, нас самих», — заключает он.
