Hirdetés

Falánk baktériumok leplezték le az evolúciós újítások titkát

Hogyan jönnek létre az evolúció során azok az újítások, amelyek több mutáció együttes meglétét igénylik? Ez a kérdés Darwin óta komoly kihívást jelent az evolúcióbiológia számára.

evolúció, baktérium |

InforMed Hírek14   InforMed | Magyar Tudományos Akadémia


Az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont munkatársai baktériumok anyagcseréjének evolúcióját vizsgálva nemrég új mechanizmust javasoltak.

A Nature Communicationsban megjelent munkájukban kimutatták, hogy az új, korábban hasznosíthatatlan tápanyagok felhasználását végző komplex biokémiai útvonalak egyszerűbb lépések sorozatával is kiépülhetnek amennyiben a baktérium környezete is változik.

A természetes szelekción alapuló darwini elmélet egyik központi tétele, hogy az evolúciós alkalmazkodás kis lépések sorozatával valósul meg. Már Darwin is felismerte azonban, hogy ez az elv igen nehézkesen használható, ha olyan bonyolult szervek eredetét kell megmagyarázni, mint például a szem.

A szem számos alkotórész precíz kölcsönhatásából épül fel, bármely részét megváltoztatva sérül működése. Hogyan alakulhattak ki az evolúció során az ilyen komplex struktúrák kis lépések sorozatával?

A szem esetében az elfogadott magyarázat az, hogy fényérzékeny sejtek csoportosulásából kiindulva fokozatosan, apró módosítások sorozatával el lehet jutni a lencsével rendelkező szemig úgy, hogy minden átmeneti állapot előnyt jelentett. Hogyan alakultak ki viszont azok a molekuláris struktúrák, például fehérje komplexek, vagy többlépéses anyagcsere utak, ahol az átmeneti állapotok előnye nem nyilvánvaló? Mire jó egy félkész anyagcsere-útvonal, ha nem tudja előállítani a végterméket?

Papp Balázs és Pál Csaba Lendület-kutatócsoportjai a baktériumok anyagcseréjét vizsgálva javasoltak új megoldást. A baktériumok életében fontos evolúciós újítás, amikor képessé válnak egy korábban nem hasznosított tápanyag molekula lebontására. Ez a képesség általában több új biokémiai reakció együttes megjelenését igényli, amelyek az új tápanyag molekulát több lépésben becsatornázzák a sejt központi anyagcsere hálózatába.

A kutatók hipotézisének lényege, hogy a több lépésből álló új biokémiai útvonalak egyes lépései önmagukban is hasznosak lehetnek egy másik tápanyag környezetben. Így ha a környezet folyamatosan változik, akkor az átmeneti állapotok is előnyt élveznek, és a többlépéses útvonal a klasszikus darwini mechanizmussal kiépülhet.

A javasolt evolúciós mechanizmust három megközelítéssel is tesztelték az MTA SZBK Biokémiai Intézetének Szintetikus és Rendszerbiológiai Egységében. Először számítógépes modellezéssel vizsgálták, hogyan tesz szert új képességekre a Coli baktérium, miután számára új, de más fajokban meglévő biokémiai reakciók épülnek be anyagcsere hálózatába. A hálózat efféle bővülése a valóságban is gyakran lejátszódik, amikor a baktérium horizontális géntranszfer (génátadás) során idegen génekre tesz szert.

Az újonnan beépített biokémiai reakciók hatását sokféle, a Coli baktérium által korábban nem hasznosítható tápanyag környezetben szimulálták, és azt találták, hogy a különböző tápanyagok lebontása részben átfedő reakciók halmazát igényli. Vagyis az egyik környezethez történő alkalmazkodás ugródeszkát jelenthet egy másik tápanyag lebontásához.

A szegedi kutatók számos olyan „ugródeszka-enzimet” azonosítottak, amelyek megszerzése önmagában is előnyös bizonyos környezetekben, és egyben közvetlenül hozzájárul egy következő tápanyag lebontásához.

A kutatók ezután azt kérdezték meg, hogy vajon a számítógépes szimulációkban kapott ugródeszka-enzimek valóban korábban jelennek-e meg a baktériumok törzsfejlődése során. Ehhez filogenetikai módszerekhez fordultak, és több száz ma élő baktérium géntartalma alapján rekonstruálták a gének múltbeli megjelenési és elvesztési eseményeit.

A hipotézissel összhangban azt találták, hogy a többlépéses útvonalak ugródeszka-enzimei valóban hamarabb jelennek meg, mint az útvonal többi lépése. Végezetül laboratóriumi evolúciós kísérletekkel igazolták, hogy két, kémiailag rokon tápanyagforrás hasznosításának evolúciója függ egymástól: az egyik tápanyaghoz a vad típusú Coli baktérium nem tud alkalmazkodni, csak miután a másik tápanyag lebontásának képességére szert tett. A többféle környezeti kihívás tehát elősegíti a komplex anyagcsere utak evolúcióját.

Az akadémiai kutatók munkája az evolúcióbiológia egyik alapvető elvi kihívására kínál darwini magyarázatot, azonban emellett gyakorlati jelentősége is lehet. A biotechnológia egyik fontos célja, hogy új, az emberiség számára hasznos tulajdonságú módosított mikrobákat hozzon létre.

Ennek egyik módozata a laboratóriumi evolúciót használja fel új kémiai vegyületeket termelő mikrobák kitenyésztésére. A szegedi kutatók eredménye rávilágít arra, hogy új biokémiai útvonalak laboratóriumi evolúciója felgyorsítható, ha nem csak a végtermékre, hanem a közti termékekre is szelekció zajlik.

evolúció, baktérium

2016-07-28 00:43:10

Hirdetés
Hirdetés

Web Design & Development Prowebshop