Apró cseppek indíthatták útjára a földi élet fejlődését

Forrás: Flickr/Domiriel

Versengés és együttműködés – egy mai evolúcióbiológusnak jó eséllyel ez a két szó jutna először eszébe, ha az élet fejlődésének fő hajtóerőiről kérdeznénk. A versengés szerepe világos: természetes szelekció, a legéletképesebb túlélése, és sorolhatnánk a törzsfejlődés Darwin óta ismert alapfogalmait. Az együttműködés nélkülözhetetlenségére azonban csak az utóbbi évtizedekben fordult ismét nagyobb figyelem, amikor – elsősorban John Maynard Smith és Szathmáry Eörs munkája nyomán – világossá vált, hogy az igazán nagy evolúciós átmeneteknél általában az történik, hogy valamilyen körülmény folytán néhány élőlény összefog, és közösségként száll versenybe a többiekkel. Ilyen szerencsés közösség testünk sejtjeinek összessége vagy a sejtek és a bennük működő mitokondriumok együttese. Az, hogy mi e mikroszkopikus közösségek közösségeiként többé-kevésbé sikerrel vesszük az élet akadályait, több régmúlt, felettébb szerencsés együttműködés eredménye.

Darwin bulizni megy

Az első élőlényekről csak annyit tudunk, hogy kémiai rendszerek lehettek, melyek képesek voltak valahogy létrehozni saját maguk másolatát, miközben felhasználták a közelben elérhető egyszerű molekulákat. Ilyen, önmaguk sokszorosítására képes kémiai rendszerek ismertek, azonban a világukban farkastörvények uralkodnak: amelyik gyorsabban másolja magát, az kerül többségbe. A félelmetesen hatékony molekuláris másológépek vagy más néven replikátorok világa lehetett ez – nehéz elképzelni, hogy milyen út vezethetett innen az élet ma ismert bámulatos komplexitásához. A másoláson túlmutató funkciók valószínűleg kikoptak, hiszen a többletfunkció egyúttal hosszabb molekuláris kódot jelentett, a hosszabb kód másolása pedig hosszabb időt vett igénybe, így a funkciót nem hordozó másológépek egyszerűen túlszaporodták őket.

Lehettek persze olyan meglepő módokon változó környezeti tényezők, amelyek egyre bonyolultabb molekulaszerkezetek kialakulását követelték meg, azonban van egy ennél egyszerűbb, a természetben sokszor felbukkanó lehetőség a komplexitás növelésére: a kompartmentizáció, melynek során az élőlények valamilyen okból környezetüktől elkülönülő csoportba tömörülnek, és a szelekció erre a csoportra hat.

Ha ilyenkor az egyes résztvevők tudnak olyasvalamit tenni a csoportért, ami javítja a túlélési esélyeit, ez a tulajdonság megmaradhat. Ekkor már nem a brutálisan hatékony, de a közösség számára értéktelen másológépek állnak nyerésre, hiszen amelyik közösségben felszaporodnak, az egy idő után hátrányba kerül, a többi, többségében „becsületes” tagokból álló közösséggel szemben.

Ha az iskolai osztályban gesztenyét gyűjtenek, és mindenkit megkérnek, hogy csak borítsa be, amit hozott a terem végében egy nagy ládába, előnyben lesznek a bliccelők – de a helyzet nyomban egész más megvilágításba kerül, ha csak azok az osztályok mehetnek el az év végi hatalmas buliba, ahol elég gesztenye gyűlt össze.

Volvox – többsejtű édesvízi zöldmoszat, mely jól példázza, milyen az, amikor élőlények egyszerű közösségbe szerveződnek. A sejtek egy kocsonyás anyagból álló gömbhéj mentén egyenletesen helyezkednek el, a gömb belsejében pedig már ott vannak az utódkolóniák Forrás: Wikimedia Commons/Frank Fox – www.mikro-foto.de – CC-BY-SA

Burokban született megoldás

Az evolúcióbiológia ismeri ezt az állapotot – az ilyen kompartmentekbe tömörült replikátorok lennének sejtjeink korai elődei, a protosejtek. Van azonban velük egy kis gond. Hogyan jön létre maga a kompartment? A csoportot körülölelő burok felépítésének receptjét magukban kell hordozniuk a benne működő replikátoroknak. Ez a recept pedig, akármi legyen is, információ, vagyis másolása többletidőt vesz igénybe. Ismét visszajutottunk a kiindulóponthoz: az önmaguk másolására optimalizált molekuláris gépek nem tűrnek meg felesleges információt – hogy jutunk hát el egy teljes kompartmentreceptig?

Szathmáry Eörs és kutatótársai a kérdést megkerülve, más oldalról közelítették meg a problémát: ha a replikátorok maguk nem képesek előállítani a kompartmenteket, kialakulhatnak-e esetleg más úton? Nos, nem kell túl messzire mennünk, hogy lássuk: igen, kialakulhatnak! Elég csak kisétálnunk a konyhába, és már a mosogatóban megtalálhatjuk a megoldást. A serpenyő öblítővizében szétváló olajcseppek vagy a csöpögő csap által felvert vízcseppek éppen ilyen apró kompartmenteket adnak, melyek, ha ideiglenesen is, de elválasztják környezetüktől a belsejükben található anyagokat. Ilyen és ehhez hasonló átmeneti kompartmentképző folyamatokkal minden bizonnyal a négymilliárd évvel ezelőtti Földön is találkozhattunk volna. Most már csak az a kérdés, hogy ezek segítenek-e a replikátorok problémájának megoldásában. A kutatók nekigyűrkőztek, és megszületett a kísérleti rendszer…

Hogyan főzzünk vírusból őslevest?

A természetben ma működő legegyszerűbb replikátorok a vírusok, melyek ugyan nem képesek teljesen önállóan másolni magukat, azonban fondorlatos módokon rá tudják venni a sejteket arra, hogy dolgozzanak helyettük. Működésük viszont a sejtek rendkívül összetett rendszerében zajlik, így eredeti formájukban nem alkalmasak az ősi replikátorok modellezésére. A kutatók ezért addig csupaszították egy RNS-vírus másolási mechanizmusát, amíg tényleg csak a legszükségesebb elemek maradtak meg belőle: az örökítőanyag és egy replikáz, vagyis másolóenzim. Ha ezeket – no meg az RNS építőköveit, a nukleotid-trifoszfátokat – összekeverik egy oldatban, a replikáz példányai dolgozni kezdenek, és addig másolgatják az oldatban jelen levő RNS-láncokat, amíg az építőkövek el nem fogynak.

A kiválasztott vírus replikáza azonban nem tud bármit másolni – csak olyan RNS-szálakkal foglalkozik, amelyek két vége összetapadva kiad egy meghatározott kulcsot. Ha ez a kulcs jelen van, bármilyen RNS-szakasz behelyezhető a kulcs két fele közé, és a replikáz lemásolja. De mi kerüljön a kulcs két része közé?

A Varkud-szatelit (VS) ribozim térszerkezete. Látható, hogy az RNS-szál több helyen a DNS-éhez hasonló kettős spirállá csavarodik, ahol a megfelelő nukleotidok szembe kerülnek egymással Forrás: Wikimedia Commons/Evolution and evolvability – CC-BY-SA

Nos, a kutatók nem véletlenül választottak RNS örökítőanyagot, hiszen a ribonukleinsavak némelyike képes a jól ismert fehérjeenzimekhez hasonlóan kémiai reakciókat katalizálni – ezeket hívjuk ribozimeknek. A kulcs két részlete közé egy ilyen ribozimet illesztettek, mely lényegében molekuláris ollóként viselkedik, és meghatározott ponton képes elvágni egy RNS-molekulát, amely a közelébe kerül. E molekuláris olló jól példázza azt a másoláshoz nem kapcsolódó funkciót, mely növelhetné kis replikátorunk komplexitását.

Könnyen látható, hogy amíg az olló nem járul hozzá valahogy a replikátor sikeréhez, hamar kikopik az utódok kódjából, hiszen azok a másolási hibák nyomán keletkező mutánsok, melyek kódja rövidebb, gyorsabban másolódnak, így hamar többségbe kerülnek. Iskolai példánkkal: ha senki nem nézi, ki mennyi gesztenyét önt a ládába, és úgyis mindenki elmehet a buliba, előbb-utóbb drasztikusan megnő a bliccelők száma.

Spiegelman szörnyetege és a molekuláris olló eredete

A kísérletben használt RNS-szakaszok önmagukban is izgalmas történeteket rejtenek. Az enzim és a hozzá tartozó „kulcs” egy Qß nevű vírustól származik, mely a biológusok által méltán agyonhasznált E. coli baktériumot képes megfertőzni. A vírus működésmódja meglehetősen rafinált: a gazdabaktériumot ráveszi egy fehérje szintézisére, mely azután a baktérium három másik fehérjéjével együtt alkotja azt a komplexet, amely képes megsokszorozni a vírus örökítőanyagát – és csak azt.

Qß vírusok egy Escherichia coli baktérium sejtnyúlványán, a bakteriális szexualitásban szerepet játszó ún. F piluson (transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel) Forrás: Wikimedia Commons/Dr Graham Beards – CC-BY-SA

A paraziták hatalomátvételét és a „felesleges” kód kikopását épp a Qß víruson demonstrálta egy Sol Spiegelman nevű kutató, aki a hatvanas évek második felében Szathmáry Eörsékéhez hasonló, végtelenségig egyszerűsített rendszerben hagyta, hogy hosszú időn át a gyorsabban másolódó – tehát rövidebb kódú – mutánsok átvegyék az uralmat. A kísérlet végén egy igen rövid, az eredeti 4217 helyett mindössze 218 bázis hosszú RNS-szakaszt kaptak. Ez a végtelenségig leegyszerűsödött mutáns volt a maratoni molekuláris gladiátorjáték végső győztese, melyet érthető módon el is neveztek Spiegelman szörnyetegének.

A molekuláris olló szintén a biológusok egyik üdvöskéjéből, egy Neurospora nevű penészgombából származik, melynek egyik rokona ismert indonéziai csemege. A biológiában nem kisebb eredmény kapcsolódik e kis gomba nevéhez, mint az „egy gén – egy enzim” elgondolás megszületése. A kísérletben használt olló a gomba sejtjeiben, a sejtmagon kívül megtalálható Varkud-szatellit (VS) ribozim egy változata. Ennek eredeti formájában az a szerepe, hogy egy hosszabb RNS-láncot – melynek saját maga is része! – specifikus helyeken darabokra vágjon. Ráadásul ezt igen gyorsan teszi, jóval gyorsabban, mint a máshonnan ismert hasonló funkciójú ribozimek.

Vágjunk bele a kísérletbe!

Kis replikátoraink úgy cipelik az olló kódját, ahogy példabeli kisiskolásaink hátukon a gesztenyét. Semmit sem vesztenek vele, ha elhagyják – sőt, úgy kevesebbet kell cipekedniük – egész addig, míg képbe nem kerül a buli, amelyre az osztály közös gesztenyegyűjtése jelenti a belépőt. Szathmáry Eörsék kísérletükben a molekuláris ollónak vágnivalót is adtak: egy különleges molekulát ragasztottak egy rövid RNS-szakasz végére, éppen úgy, hogy az olló képes legyen levágni. A ráragasztott molekula különlegessége, hogy ebben a levágott, önálló formájában narancsszínben fluoreszkál. Ezzel a módszerrel gyorsan és könnyedén megmérhető, mennyi olyan replikátor van az oldatban, amelyben működik a molekuláris olló.

A kutatók ezután kijelölték a példabeli iskolai osztályokat, és meghirdették az év végi bulit. Készítettek egy olyan gépet, mely apró cseppekre bontotta a kiindulási oldatot, majd megvárta, hogy a cseppekben kedvükre másolgassanak a vírusreplikázok, végül aszerint tartotta meg vagy dobta ki a cseppeket, hogy elegendő számú molekuláris olló működött-e bennük, vagyis kellően erős narancs fluoreszcenciát mutattak-e. A megtartott cseppeket összeöntötték, és az ebben az oldatban található replikátorokkal újrakezdték a kört.

A természetben számos folyamat vezet ideiglenes apró cseppek képződéséhez Forrás: Flickr/Andreas – CC-BY-SA

A másolás természetesen hibákkal járt, és megjelentek olyan mutánsok, amelyeknél nem működött az olló, viszont gyorsabban másolták őket a vírusreplikázok. Ezeket a mutánsokat most már parazitáknak tekinthetjük, hiszen az ő működésük nem tesz hozzá semmit az őket tartalmazó kompartment sikeréhez. Amikor a kísérletet a narancs fluoreszcenciára nem szelektálva végezték, az eredmény a vártaknak megfelelően alakult: az ollót tartalmazó RNS-szakaszok és velük a narancs fluoreszcencia a 7. kör után eltűnt.

Nem mellesleg érdemes megjegyeznünk, hogy a „felesleges” kód eltűnése itt lassabb volt, mint ha egyszerűen összeöntötték a rendszert egy közös oldatba. Vagyis az ideiglenes kompartmentek puszta létükkel, szelekciós hatás nélkül is adnak némi esélyt a „kis hibás” replikátorok túlélésének.

Amikor azonban bedobták az év végi bulit, vagyis csak a narancs fluoreszcenciát mutató cseppeket engedték át a következő körbe, még a 9. körben is jelentős mennyiségben voltak a működő ollót tartalmazó, replikálódó RNS-szakaszok. A kísérleteket egy matematikai modellel jóval több körre kiterjesztették, és különféle másolási sebességű parazitákra vizsgálták. A számítások szerint az efféle rendszerekben végül beáll az egyensúly, és nem tűnnek el az ollóval rendelkező replikátorok. Ezzel bebizonyították, hogy ha létezik olyan természetes mechanizmus, amely rendszeresen ideiglenes kompartmenteket hoz létre, és egy másik körülmény ezeket a kompartmenteket valamilyen tulajdonságuk alapján szelektálja, akkor az segíthet abban, hogy a replikátorok a brutálisan hatékony másológép mellett valamilyen egyéb, a másoláshoz közvetlenül nem kapcsolódó funkció kódját is megtartsák.

A rosszfiúk génbankja

A kísérletnek azonban volt egy másik, hasonlóan izgalmas eredménye. A rengeteg mutáns között mindig vannak nagyon gyorsan másolódó „kemény” paraziták és kevésbé gyorsan (de az ollót tartalmazó példányoknál azért gyorsabban) másolódó „lágy” paraziták. A modellszámítások azt mutatták, hogy ennek a rendszernek utóbbiak a nagy nyertesei. A szelekciós folyamat mindaddig, míg a funkció (az olló) elegendő mértékben érvényesül, megtűri a lágy paraziták jelenlétét, ami nagyobb információs változatosságot enged az ideiglenes kompartmentek replikátorainak. A nagyobb változatosság pedig egyúttal jobb alkalmazkodóképességet is jelent – egyfajta „információs bank” jön létre, melyből kiindulva sokféle fejlődési út lehetséges.

Gondoljuk csak meg: ha létezik egy hatékonyabb molekuláris olló, amely sok apró mutációs lépésben érhető el az eredetiből, akkor a rendszerben meglevő kis „lazaság”, ami megengedi a hibás példányok fennmaradását, segíthet végighaladni ezen a lépéssorozaton. Nem is beszélve arról, hogy a „hibás” példányok között megjelenhet egy teljesen új funkció is, ami máshogy járul hozzá a csoport sikeréhez.

Ki tudja, mi lesz a következő iskolai feladat a gesztenyegyűjtés után?

A címlapkép forrása Flickr/Anne.