Um Parasiten zu entkommen, mussten die ersten lebenden Systeme von Zeit zu Zeit in kleine Tropfen aufgeteilt werden. • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Molekularbiologie, Evolution

Um Parasiten zu entkommen, werden die ersten lebenden Systeme von Zeit zu Zeit in kleine Tropfen aufgeteilt.

Abb. 1. Das RNA-Molekül, das im Experiment die Rolle eines Replikators spielte, besteht aus dem Genom des Qβ-Virus (MDV (-) RNA) mit einem darin eingebetteten Ribozym (trans VS Ribozyme). Ribozym schneidet ein weiteres RNA-Molekül, das Substrat, und produziert zwei kürzere Moleküle (Produkt), von denen eines zu fluoreszieren beginnt (orangefarbener Kreis). Auf der rechten Seite Das Schema der Reproduktion des Replikatormoleküls durch das Enzym Qβ-Replicase (das Enzym kann das Substrat nicht multiplizieren) in einem Wassertropfen, der in einem chemisch inerten Öl schwimmt, ist gezeigt. Abbildung aus dem besprochenen Artikel inWissenschaft

Das Schlüsselstadium in der Geburt des Lebens war die Entstehung chemischer Replikatoren – Komplexe von Molekülen, die sich selbst kopieren können, und Darwinsche Evolution. Die ersten Replikatoren mussten sich sofort dem Problem der replikativen Parasiten stellen – "Trittbrettfahrer", die gemeinschaftliche Ressourcen für ihre eigene Reproduktion nutzen und dafür nichts geben. Die Kompartimentierung könnte das beginnende Leben vor der Dominanz der Parasiten retten – die Fortpflanzung in kleinen isolierten Zellen, wie Mikrokavitäten von Mineralien oder "Protozellen", die von Lipidmembranen umgeben sind. Experimente an künstlichen Replikatoren haben gezeigtZum Schutz vor Parasiten müssen sich die Replikatoren nicht ständig in den Kompartimenten befinden: Es gibt genug periodische Trennung der Lösung in kleine Tröpfchen, die sich dann wieder vereinigen können. Ein solches evolutionäres Regime erlaubt es nicht, aggressive Parasiten zu verbreiten, sondern behält einen gewissen Anteil an "moderaten" Parasiten, die der Gemeinschaft keinen großen Schaden zufügen und als Quellenmaterial für nützliche evolutionäre Innovationen dienen können.

Die ersten evolutionären Experimente an künstlichen Replikatoren – Komplexe von Molekülen, die sich außerhalb einer lebenden Zelle vermehren – wurden bereits in den späten 1960er Jahren durchgeführt. Ein geeignetes Modellsystem für solche Experimente sind die Komponenten des Bakteriophagen Qβ: ein RNA-Molekül, das das virale Genom ist, und sein Enzym Qβ-Replicase (siehe Qβ-Replicase), das virale RNA vermehrt (DR Mills, RL Peterson, S. Spiegelman, 1967) Ein extrazelluläres Darwinsches Experiment mit einem sich selbst duplizierenden Nukleinsäuremolekül).

In einem solchen System unterstützt die Selektion RNA-Moleküle mit beliebigen Mutationen, die die Replikationsrate erhöhen. Als Folge davon zerfällt das ursprüngliche virale Genom schnell, verliert mehr als 80% seiner Länge und wird schließlich zum sogenannten "Spiegelman-Monster" – einem kleinen RNA-Molekül, das mit dem ursprünglichen viralen Genom wenig gemein hat, dann aber mit maximaler Geschwindigkeit durch die Qβ-Replikase reproduziert wird.Tatsächlich bleiben nur die Nukleotidsignalsequenzen für die Erkennung des Moleküls durch das Replikaseenzym und für den Beginn des Replikationsprozesses notwendig.

Solche Experimente zeigten anschaulich das ernste Problem, dem sich das aufkommende Leben stellen musste. Sobald es eine Gemeinschaft von Molekülen gibt (zum Beispiel Ribozyme), die in der Lage ist, ihre eigenen Kopien zu produzieren, müssen Parasiten sofort darin beginnen – mutierte Moleküle, die sich schnell auf Kosten anderer vermehren können, ohne der Gemeinschaft etwas zu bringen. Wenn sich das aufkommende Leben gegen solche Trittbrettfahrer nicht wehrt, wird ihre unkontrollierte Reproduktion unweigerlich und sehr schnell es zerstören.

Die Kompartimentierung hilft dabei, Parasiten zu entkommen, das heißt die Isolierung kleiner Teile von reproduzierenden Molekülen in isolierten Zellen (Kompartimenten). In diesem Fall funktioniert die Gruppenauswahl auf der Ebene der Zellen, was der Population jener Zellen, in denen nur wenige Parasiten vorkommen, einen Vorteil bringt. Die Gruppenauswahl wird der individuellen Selektion auf der Ebene einzelner Moleküle entgegenwirken, was den Parasiten den Vorzug gibt.

"Protocell" (siehe Protocell), umgeben von primitiven Membranen aus abiogen synthetisierten Fettsäuren, Alkoholen und Lipiden (siehe Links am Ende der Nachrichten), könnte als Ausgangszelle dienen. Um jedoch das Wachstum und die Vermehrung der Protozelle wirksam zu kontrollieren, sollte der darin sitzende chemische Replikator offensichtlich schon ziemlich kompliziert sein, während das Problem der Trittbrettfahrer bereits vor den allerersten, einfachsten Replikatoren auf seine volle Höhe ansteigt. Daher ist es wichtig zu verstehen, ob irgendwelche einfacheren Kompartimentierungsoptionen (einschließlich vorübergehender Kompartimentierung mit dem periodischen Zusammenführen des Inhalts der Kompartimente zurück in den "gemeinsamen Topf") das entstehende Leben vor Parasiten schützen können.

Es wurde bereits experimentell nachgewiesen, dass die Kompartimentierung in der Tat primitive Replikatoren vor der Dominanz von Trittbrettfahrern schützen kann (N. Ichihashi et al., 2013). Darwinsche Evolution einer translationsgekoppelten Replik; 2016. Wirt-Parasiten-Oszillations-RNA-Replikationssystem). In solchen Experimenten wird die Rolle von Kompartimenten üblicherweise von Wassertröpfchen mit gelösten Bestandteilen (zum Beispiel den gleichen Q & bgr; -Replikase- und RNA-Molekülen) gespielt, die in einem chemisch inerten Öl schwimmen.

Biologen und Chemiker aus Frankreich, Ungarn, Deutschland und Japan haben den nächsten Schritt in diese Richtung getan und gezeigt, dass auch die zeitweilige Kompartimentierung, die sich mit Perioden der Kompartimentfusion abwechseln kann, einfache Replikatoren vor dem Aussterben durch die unkontrollierte Vermehrung von Parasiten bewahren kann. Eine solche periodische Kompartimentierung könnte beispielsweise während der Bildung von Aerosolen oder in den Mikrokavitäten von Mineralien in der Nähe von Wärmequellen auftreten.

Im Experiment wurde die Rolle des Replikators durch das Phagen-Qβ-Genom gespielt, in das ein RNA-Fragment mit enzymatischer Aktivität (Ribozym) insertiert wurde, das aus dem mitochondrialen Genom des Pilzes entlehnt wurde Neurospora (siehe: H. C. Guo, R.A. Collins, 1995. Effiziente Transspaltung einer Stammschleife, die von Neurospora-VS-RNA abgeleitet ist). Dieses Ribozym kann an bestimmten Stellen andere RNA-Moleküle schneiden. In dem Experiment wurde ein RNA-Molekül mit einer orange fluoreszierenden Markierung als Substrat verwendet (dh ein zu schneidendes Molekül), das so entworfen wurde, dass die Fluoreszenz erst nach dem Schneiden des Substrats durch ein Ribozym begann (1). Die Replikatormultiplikation (Q & bgr; -Phagengenom mit integriertem Ribozym) wurde unter Verwendung von Q & bgr; -Replicase reproduziert. Das Substratmolekül vermehrt dieses Enzym nicht.Der Replikationsprozess wurde unter Verwendung eines grünen Fluoreszenzfarbstoffs für RNA überwacht (je mehr RNA-Moleküle in der Probe, desto heller die grüne Fluoreszenz). Im Verlauf der Replikation traten wie erwartet zufällige Mutationen auf, einschließlich Deletionen, RNA-Fragmente, mit einer bestimmten Häufigkeit.

Die Autoren verglichen drei evolutionäre Regime.

Im ersten Fall entwickelte sich der Replikator einfach in Lösung ohne Kompartimentierung. Der Prozess dauerte drei Stunden, dann wurde RNA aus der Lösung isoliert, frische Reagenzien wurden hinzugefügt und ein neuer Zyklus wurde begonnen.

Im zweiten Fall wurde die Lösung einer Kompartimentierung unterzogen – eine Trennung von etwa einer Million Tröpfchen mit einem Durchmesser von 28 & mgr; m. Nach drei Stunden wurden alle Tropfen vereinigt, RNA wurde daraus isoliert und in den nächsten Zyklus überführt.

Im dritten Fall wurde alles auf die gleiche Weise wie in der zweiten durchgeführt, mit dem einzigen Unterschied: nach drei Stunden Replikation kombinierten sich nicht alle Tröpfchen, sondern nur diejenigen, bei denen eine starke orange Fluoreszenz beobachtet wurde. Mit anderen Worten wurden jene Tropfen ausgewählt, bei denen der Replikator seine enzymatische Funktion – die Fähigkeit, das "Substrat" ​​zu schneiden – nicht verloren hat. Für die Selektion fluoreszierender Tropfen wurde eine spezielle Variante der früher entwickelten Methode zur Sortierung fluoreszierender Zellen verwendet (siehe: Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS); J.-C. Baret et al., 2009).Fluoreszenz-aktivierte Tröpfchensortierung (FADS): effiziente mikrofluidische Zellsortierung basierend auf enzymatischer Aktivität).

Im ersten Entwicklungsszenario (ohne Kompartimentierung und ohne künstliche Selektion) sind funktionelle Replikatoren – Ribozyme im vierten Zyklus vollständig ausgestorben. Die Population wurde von Parasiten überrannt: kurze mutierte RNA-Moleküle mit einer dramatisch erhöhten Replikationsrate ohne katalytische Aktivität (das Substrat konnte nicht geschnitten werden). Gleichzeitig war die Diversität der resultierenden Parasiten gering. Dies war zu erwarten, da in diesem Szenario nur die Replikationsgeschwindigkeit gewählt wurde, unabhängig davon, wie sich dies auf die Funktionalität der Moleküle auswirkte.

Im zweiten Szenario (mit Kompartimentierung, aber ohne künstliche Selektion) war das Endergebnis das gleiche: Die funktionellen Replikatoren – Ribozyme wurden vollständig durch Parasiten verdrängt. Es dauerte zwar länger, nicht drei oder vier Zyklen, sondern sechs oder sieben. Offensichtlich erklärt sich die Verzögerung durch die Tatsache, dass die periodische Kompartimentierung die Ausbreitung von Mutanten mit einer hohen Replikationsrate verlangsamt: Sie können sich nicht über die Grenzen des Tropfens, in dem sie entstanden sind, bis zur nächsten Kombination von Tropfen ausbreiten.

Im dritten Szenario wurden funktionelle Replikatoren-Ribozyme auch nach neun Zyklen nicht durch Parasiten ersetzt (in diesem Experiment wurde das Experiment beendet). Daher wurde die Idee, dass periodische Kompartimentierung primitiven Replikatoren hilft, gegen Parasiten zu verteidigen, experimentell bestätigt. Es stimmt, dass eine gewisse Anzahl von parasitären Replikatoren – verkürzte RNA-Moleküle mit einer erhöhten Replikationsrate, die keine katalytische Aktivität besitzen – immer noch in diesem Fall vorkommt. Diese Parasiten waren jedoch erstens weniger aggressiv: Sie übertrafen die Reproduktionsrate nur geringfügig (1,1-1,2 mal) gegenüber den funktionellen Ribozym-Replikatoren, während in den ersten beiden Fällen die gewinnenden Parasiten mit 1,4 multipliziert wurden -1,6 mal schneller als das ursprüngliche Molekül. Zweitens war die genetische Vielfalt dieser "moderaten" Parasiten höher als in den ersten beiden Fällen.

Beide Merkmale von Replikationsparasiten, die sich unter periodischer Kompartimentierung und Selektion – Mäßigung und erhöhter Diversität ausgebreitet haben, sind offenbar darauf zurückzuführen, daß die Auswahl der Tröpfchen, in denen die katalytische Aktivität erhalten wurde, der individuellen Selektion innerhalb der Tröpfchen effektiv entgegenwirkt.Die Gruppenauswahl macht die Erhaltung der katalytischen Aktivität des gesamten Tropfens für die Parasiten selbst wesentlich. Unter diesen Bedingungen verderben aggressive Parasiten, die für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit extrem optimiert sind (und deshalb mehr oder weniger die gleichen), den Tropfen, in dem sie gezüchtet haben, zu Tode, aber gleichzeitig sterben sie selbst zusammen mit ihm. Daher können sich aggressive Parasiten unter diesen Bedingungen nicht ausbreiten. Was die gemäßigten Parasiten betrifft, die das ursprüngliche Molekül in der Reproduktionsrate nur geringfügig überschreiten, bringen sie dem Tropfen als Ganzes keinen merklichen Schaden und bleiben daher erhalten. Sie sind vielfältiger als aggressive Parasiten, weil es mehr Möglichkeiten gibt, die Replikationsgeschwindigkeit ein wenig zu erhöhen, als Möglichkeiten, sie bis zum Limit zu steigern. Im Laufe der weiteren Entwicklung können solche fast harmlosen Mitbewohner zu einer wertvollen Quelle genetischer Innovationen für ein sich entwickelndes lebendes System werden. In der Tat kann in jedem von ihnen eine Mutation auftreten, die einen gemäßigten Parasiten in einen nützlichen Bestandteil der Gemeinschaft verwandelt.

Zusätzliche Experimente haben gezeigt, dass im Szenario "Kompartimentierung plus Selektion" der Verlauf der Evolution von der durchschnittlichen Anzahl von RNA-Molekülen abhängt, die in jeden Tropfen fallen.Je kleiner es ist, desto wirksamer ist die Abstoßung von Parasiten und desto geringer ist der Gleichgewichtsanteil von parasitären RNA-Molekülen in der Gesamtpopulation von Replikatoren.

Die Ergebnisse dieser Studie haben etwas mit einem anderen evolutionären Experiment gemeinsam, in dem gezeigt wurde, dass das periodische "Beregnen" einer Mischkultur aus Bakterien-Egoisten und Bakterien-Kooperatoren es ermöglicht, das Wachstum der globalen Egoisten zu beschränken, obwohl in jedem einzelnen Spray der Anteil der Egoisten immer wächst ( siehe: Altruisten florieren aufgrund des statistischen Paradoxons Elements am 16. Januar 2009).

Die Forschung hat gezeigt, dass ein Ende der grassierenden Vermehrung von Replikationsparasiten in primitiven lebenden Systemen einfacher ist als bisher angenommen. Dies erfordert keine so komplexen Strukturen wie die Protozelle mit Lipidmembranen. Periodisches Sprühen einer Lösung von Replikatoren (mit anschließendem Abfluss von Tröpfchen zurück in das Reservoir), die in den aktiven geothermischen Reservoirs der jungen Erde auftreten könnten, ist völlig ausreichend.

Quelle: Shigeyoshi Matsumura, Ádám Kun, Michael Ryckelynck, Faith Coldren, András Szilágyi, Fabrice Jossinet, Christian Rick, Philippe Nghe, Eörs Szathmáry, Andrew D. Griffiths. Transiente Kompartimentierung von RNA-Replikatoren verhindert Extinktion durch Parasiten // Wissenschaft. 2016. V. 354. P. 1293-1296. DOI: 10.1126 / science.aag1582.

Sieheauch über Experimente mit Protozellen und einfachen Replikatoren:
1) Evolution unter Computerkontrolle, "Elemente", 12.04.2008.
2) Künstliche Protozellen synthetisieren DNA ohne die Hilfe von Enzymen, "Elements", 09.06.2008.
3) Das Geheimnis des Ursprungs des Lebens wird bald entwirrt werden ?, "Elements", 12.01.2009.
4) Ribozyme können sich gegenseitig vermehren, "Elemente", 13.04.2011.
5) Synthese von RNA in den "Proto-Zellen" ist noch möglich, "Elements", 02.12.2013.
6) Erstellt Ribozyme, synthetisiert Spiegelkopien von sich selbst, "Elements", 03.11.2014.

Alexander Markow


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