Еволюція на молекулярному рівні

Відповідно до теорії еволюції, організми, що існують в даний час, походять від більш ранніх форм життя. На молекулярному рівні еволюція змінила у людини і всіх інших форм життя деякі ферменти, які допомагають завершувати хімічні процеси - такі як перетворення їжі в енергію.

Теперь дослідник з Університету штату Айова і його колеги описали еволюцію різних форм ферменту «дигідрофолатредуктази»: починаючи від цього ферменту у бактерій, і закінчуючи їм у людини. Їх робота, «Збереження білкової динаміки в ході еволюції дигідрофолатредуктази» ("Preservation of Protein Dynamics in Dihydrofolate Reductase Evolution"), з'явилася у випуску The Journal of Biological Chemistry за 13 грудня.

Емнон Коен, профессор хіміі в Коледжі вільних мистецтв і наук Університету штату Айова і член Міждисциплінарній програми в галузі молекулярної і клітинної біології, і його колеги використовували у своїй роботі біоінформатику (дані про генетичне секвенування), комп'ютерні обчислення, штучний мутагенез (модифікацію ДНК) і кінетичні вимірювання. Вони вивчили «олюднені» форми ферменту, який був узятий від поширеної бактерії E. coli, щоб зв'язати дію білкової динаміки і каталізу з процесом еволюції ферменту.

Дінаміка ферменту розвивалася протягом мільйонів років, щоб оптимізувати специфічну каталізувати реакцію, яка виникає у человека.

«Ферменти - це критично важливі компоненти кожної живої клітини, і вони каталізують майже всі хімічні реакції в житті. Ми вивчили, як еволюція відбувалася на молекулярному рівні », - говорить Коен. «Це дослідження - спроба зрозуміти, як еволюція цілого організму (наприклад, від бактерії E. coli до людини) виражається на молекулярному рівні».

«Ми вибрали фермент" домашнього господарства ", який є майже у всіх організмів і необхідний для життя. Цей фермент називається дигідрофолатредуктази. Він залучений в біосинтез ДНК і реплікацію клітин », - говорить Коен.

Ісследователі «перекинули міст» між бактеріальним і людським ферментом, створивши «олюднений» бактеріальний фермент, тобто модифікуючи частини бактеріального ферменту, і прищеплюючи їм амінокислотні послідовності людського ферменту.

Осуществіть це вдалося, грунтуючись на порівняння ферментних послідовностей багатьох організмів, починаючи від бактерій, і закінчуючи людиною. «Ми виявили, що хоча багато етапи каталітичного каскаду цих ферментів розвиваються, дійсне хімічне перетворення, що каталізує ферментами, зберігається в процесі еволюції, кажучи про те, що навіть фермент у бактерій має вже чудово зорієнтовані реагенти на своєму активній ділянці, так само як і фермент у людини. Такий результат був несподіваним, так як людський фермент набагато швидше і відрізняється генетично », - говорить він.

По словами Коена, дослідження має велике значення, так як показує, що динаміка ферменту збереглася в ході еволюції від бактерії до людини.

«Це відкриття значно впливає на розуміння науковою спільнотою того, що було важливим для збереження еволюційного тиску, а що ні», - говорить він. «Взяти, наприклад, збереження динаміки ферментів, які залучені в каталізірованіе хімічного перетворення, є дуже швидкими, і як передбачалося, не грають ролі в еволюції. Тепер, отримані нами дані дозволяють дослідникам розглядати таку швидку динаміку не тільки в еволюції, але і в розробці препаратів, які використовуються проти цього ферменту (а може бути всіх ферментів в цілому), або розробці биомиметических (натхнених природою) каталізаторів ».

По словами Коена, це дослідження відрізняються генетичних послідовностей між E. coli і Homo sapiens ілюструє процес еволюції на базовому рівні. «Ми почали з E. coli тому, що вона на базовому рівні, і використовували біоінформатику, щоб простежити еволюцію одного ферменту », - говорить він.