Falánk baktériumok leplezték le az evolúciós újítások titkát

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 fehérjekomplexek, vagy többlépéses anyagcsereutak, ahol az átmeneti állapotok előnye nem nyilvánvaló? Mire jó egy félkész anyagcsere-útvonal, ha nem tudja előállítani a végterméket?

Kólibaktériumok hamis színes elektronmikroszkópos felvételen Forrás: Wikimedia Commons/NIAID

Papp Balázs és Pál Csaba Lendület-kutatócsoportjai a baktériumok anyagcseréjét vizsgálva A Nature Communicationsban megjelent cikkjavasoltak új megoldást. A baktériumok életében fontos evolúciós újítás, amikor képessé válnak egy korábban nem hasznosított tápanyagmolekula lebontására. Ez a képesség általában több új biokémiai reakció együttes megjelenését igényli, amelyek az új tápanyagmolekulát több lépésben becsatornázzák a sejt központi anyagcserehálózatába. A kutatók hipotézisének lényege, hogy a több lépésből álló új biokémiai útvonalak egyes lépései önmagukban is hasznosak lehetnek egy másik tápanyagkörnyezetben. Így ha a környezet folyamatosan változik, akkor az átmeneti állapotok is előnyt élveznek, és a többlépéses útvonal a klasszikus darwini mechanizmussal kiépülhet.

„Ugródeszka-enzimek” segítik az evolúciós újításokat

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 kólibaktérium, miután számára új, de más fajokban meglévő biokémiai reakciók épülnek be anyagcserehálózatába. 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 kólibaktérium által korábban nem hasznosítható tápanyagkörnyezetben 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.

Az itt látható sémában a baktérium nem tud alkalmazkodni a 2. környezethez (piros tápanyag), ehhez ugyanis egy új, többlépéses biokémiai útvonalat kellene kialakítania. Az ehhez szükséges két biokémiai reakció egyike (X reakció, lásd alább) azonban önmagában is növekedést biztosít az 1. környezetben (kék tápanyag). Az 1. környezethez alkalmazkodott kólibaktériumnak tehát már csak egyetlen előnyös mutációs lépésre van szüksége (Y reakció, lásd alább), hogy növekedni tudjon a 2. környezetben is.

Az 1. környezethez való adaptációt biztosító útvonal kialakulása

Az 1. környezetről a 2-ra áttérve már csak egy új funkciónak kell kialakulnia Az ábrák forrása: Papp Balázs

Több száz baktérium genetikai múltját térképezték fel

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 kólibaktérium nem tud alkalmazkodni, csak miután a másik tápanyag lebontásának képességére szert tett. A többféle környezeti kihívás tehát elősegíti a komplex anyagcsereutak evolúcióját.

Hasznos tulajdonságú módosított baktériumok hozhatók létre

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, amennyiben nem csak a végtermékre, hanem a közti termékekre is szelekció zajlik.