Исследователи из Лейпцигского университета разгадали загадку эволюции бактериальных ферментов. Реконструировав кандидата на особую РНК-полимеразу в том виде, в каком она существовала около 2 миллиардов лет назад, они смогли объяснить доселе загадочное свойство соответствующих современных ферментов.

В отличие от своих предков, они не работают непрерывно и, следовательно, значительно более эффективны — эти паузы в деятельности представляют собой эволюционный прогресс. Реконструкция белка с доисторических времен стала возможной благодаря междисциплинарному сотрудничеству между молекулярной биохимией и биоинформатикой.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution. Изученными ферментами являются тРНК-нуклеотидилтрансферазы: ферменты, которые присоединяют три нуклеотидных строительных блока в последовательности C-C-A к небольшим РНК в клетке (так называемые трансферные РНК), чтобы впоследствии они могли поставлять аминокислоты для синтеза белка.

С помощью филогенетических реконструкций группа исследователей во главе с профессором Марио Мерлом (биохимия) и профессором Соней Прохаской (биоинформатика) реконструировали кандидата на такой наследственный фермент, каким он существовал у бактерий около 2 миллиардов лет назад. Затем исследовательская группа сравнила свойства реконструированной РНК-полимеразы с свойствами современного бактериального фермента.

Оба фермента работают с одинаковой точностью, но демонстрируют явные различия в плане реакции. До сих пор не было возможности признать тенденцию современных ферментов многократно прерывать свою активность в качестве эволюционного преимущества. Это явление десятилетиями озадачивало биохимиков. Только в сравнении с режимом активности реконструированного фермента тайна теперь была разгадана.

Наследственный фермент является процессивным, то есть он работает без перерыва, но время от времени удаляет нуклеотидные строительные блоки, которые уже были правильно добавлены. Результаты показывают, что многое можно узнать об эволюции и свойствах современных ферментов из реконструкций ферментов, и что многие вопросы могут быть решены только посредством взаимодействия биоинформатики и биохимии — в промежутках между компьютерными расчетами и лабораторными экспериментами.

Погружение в прошлое путем отслеживания отношений

Используя последовательности генов, эволюционные филогенетические деревья также могут быть созданы из бактерий. Исходя из сегодняшнего широкого разнообразия организмов в древе видов, эволюционный путь отдельных генов может быть реконструирован по взаимосвязям и ветвям и тщательно прослежен до общего происхождения.

Реконструкция, по сути, представляет собой трехэтапный процесс. Сначала в базах данных выполняется поиск соответствующих современных ферментов, чтобы иметь возможность изучить последовательность аминокислотных строительных блоков. Полученные последовательности затем можно использовать для вычисления того, как должна была выглядеть исходная последовательность. Соответствующая последовательность генов, кодирующая старый фермент, затем вводится в лабораторные бактерии, чтобы они образовали желаемый белок. Затем фермент можно детально изучить, чтобы определить его свойства и сравнить с современными ферментами.

"Когда из лаборатории пришли новости о том, что реконструированный фермент выполняет добавление C-C-A, и делает это даже в более широком диапазоне температур, чем современные ферменты, это стало прорывом", - вспоминает Соня Прохаска.

Эволюционная оптимизация: паузы в деятельности повышают эффективность

Подобно организмам, ферменты также оптимизируются в процессе эволюции. Работа (катализ), выполняемая ферментом, обычно протекает быстрее и качественнее, чем сильнее он может связывать свой субстрат. Реконструированный наследственный фермент делает именно это, он удерживает субстрат, тРНК, и присоединяет три нуклеотида C-C-A один за другим, не отпуская.

Современные тРНК-нуклеотидилтрансферазы, с другой стороны, являются дистрибутивными, т.е. они работают поэтапно с паузами, во время которых они повторно высвобождают свой субстрат. Тем не менее, они более эффективны и быстры, чем их исконные предшественники. Это озадачило исследователей. Почему современные ферменты продолжают высвобождать свой субстрат?

Объяснение кроется в явлении обратной реакции, при которой включенные нуклеотиды снова удаляются ферментом. В то время как сильное связывание исходного фермента с субстратом приводит к последующему удалению, обратная реакция в современных ферментах почти полностью предотвращается путем высвобождения субстрата. Это позволяет им работать более эффективно, чем их предшественникам.

"Теперь мы, наконец, смогли объяснить, почему современные тРНК-нуклеотидилтрансферазы работают так эффективно, несмотря на их распределительную природу", - говорит Марио Мерл. "Это открытие застало нас в команде совершенно врасплох. Мы не ожидали ничего подобного. У нас был этот вопрос 20 лет назад, и теперь мы, наконец, можем ответить на него, используя методы биоинформатической реконструкции. Это тесное сотрудничество между биоинформатикой и биохимией существует в Лейпциге уже несколько лет и не в первый раз доказывает, что является большим преимуществом для обеих сторон".