생물 학자들은 현대 박테리아에서 과거를 불러 일으 킵니다

진화론 생물학에서 가장 큰 도전 중 하나는 단편적인 증거와 놀이의 힘에 대한 제한된 지식, 즉 기후, 지질학 및 생물의 풍부한 태피스트리, 진화의 배경을 형성하는 삶의 역사를 모으는 것입니다. 예를 들어, 색상 비전을 가능하게하는 빛에 민감한 분자가 어떻게 생겼습니까? 형광체 산호가 녹색으로 시작한 다음 색의 무지개로 다각화 한 이유는 무엇입니까?

지난 10 년 동안, 신흥 고생물 유전체학 분야의 과학자들은 이러한 질문들 중 일부에 대답하기 시작하는 새로운 방법을 개발했습니다. 많은 살아있는 유기체의 DNA 서열을 비교하고 뒤로 작용함으로써, 유전자가 새로운 기능을 진화시킬 때와 같은 고대 게놈 역사를 추론 할 수 있습니다. 하버드 대학교 (Harvard University)의 연구원 인 베툴 카카 (Betul Kacar)는“공유 유전자는 과거에서 살아남은 정보의 조각을 나타냅니다. 연구자들은이 분자들이 현대의 정체성을 얻기 위해 취한 길을 추적함으로써 스테로이드 호르몬을 탐지하는 것과 같은 다수의 고대 단백질을 재구성 할 수있었습니다. 몇 년 전, 애틀랜타의 조지아 기술 연구소 (Georgia Institute of Technology)의 생물학자인 에릭 고셔 (Eric Gaucher)는 E. coli에서 700 만 년 된 단백질을 부활 시켰습니다.

이제, Paleogenomics에 대한 새로운 비틀기에서 Kacar는 고대 단백질을 현대 대장균으로 설계하고 미생물이 어떻게 적응했는지 추적했습니다. Kacar가 어제 시카고 NASA의 Astrobiology Science Conference에서 발표 한 새로운 접근법은 진화 메커니즘에 대한보다 통합 된 견해를 제공합니다. 예를 들어, 광범위한 네트워크에서 단백질의 위치가 변화율 또는 단백질 네트워크가 전체적으로 진화하는 방법. 이러한 종류의 통찰력은 실질적인 영향을 미칠 수 있으며, 유기체가 기후 변화 및 기타 교란에 어떻게 반응 할 수 있는지 예측하고 미생물이 의료 및 산업 용도를 위해보다 정확하게 조작 할 수 있도록하는 데 도움이 될 것입니다.

고대 역사

과학자들은 오랫동안 유전자 공학의 기본 구성 요소 인 한 유기체에서 다른 유기체에서 단백질을 다른 유기체에 삽입 할 수있었습니다. 이것이 바로 연구원이 미생물을 엔지니어링하여 연료 나 의약품을 만드는 방법입니다. 그러나 이러한 실험의 결과는 예측할 수 없을 수 있습니다. Gaucher는“때로는 전혀 작동하지 않으며 그 이유를 실제로 이해하지 못합니다.

신장 인자 TU (EF-TU)라는 단백질은 그러한 번거로운 예 중 하나입니다. 고도로 보존되고 (지구상의 모든 생명체에 존재 함) 필수 (세포가 없어도) 유연성이 부족합니다. EF-TU 단백질의 효모 또는 과일 비행 버전을 대장균에 넣는 것은 효과가 없습니다. Gaucher는“이것은 인생에서 가장 보존 된 시퀀스 중 하나이지만 생명체 중에서 교체 할 수는 없습니다. “이상해.”

Kacar와 Gaucher는 아마도 7 억 명의 대장균 조상에서 파생 된 고대 버전의 단백질이 다른 종의 현대 버전보다 더 잘 작동 할 것이라고 추론했습니다. Gaucher는이를 영어를 사용하는 미국인을 오늘날 베이징 또는 1980 년대 뉴욕에 떨어 뜨리는 것과 비교합니다. 여행자는 아마도 언어와 문화가 크게 다르고있는 중국인보다 미국 도시를 탐색하는 데 더 쉬운 시간을 가질 것입니다.

Gaucher는 조상 버전의 구조를 추론하기 위해 EF-TU 단백질을 생성하고 정교한 계산 및 통계적 방법을 사용하여 유전자의 가장 가능성있는 서열을 유추하는 모든 알려진 유전자의 서열을 비교했습니다. 그런 다음 Kacar는 유전자를 합성하여 기존 버전 대신 대장균에 삽입했습니다. (그녀는 Rip Van Winkle 이후의 하이브리드를 립 스트레인이라고 불렀습니다.

하이브리드 대장균은 분명히 고풍스러운 구성 요소로 고통 받았다. 하이브리드는 정상적인 상대보다 훨씬 느리게 자랐으며, 자손이 25 % 줄어 듭니다. 프로세서가 1980 년대 컴퓨터 칩으로 대체되면 현대 노트북이 제대로 작동하지 않는 것처럼, 미생물의 현대 분자 기계는 단순히 고대 버전의 단백질에 적합하지 않았습니다. EF-TU는 허브 단백질이기 때문에 세포에서 기능을 수행 할 때 50 개 이상의 다른 단백질과 상호 작용하기 때문입니다. Gaucher는“우리가 고대 형태를 가질 때, 우리는 의심 할 여지없이 이러한 상호 작용 중 일부를 방해하고 있습니다. 파트너 단백질은 지난 7 억 년 동안 자체 진화론 적 변화를 겪었습니다. 구식 칩이 아닌 노트북의 현대적인 구성 요소와 함께 작동하도록 설계되었습니다.

그러나 컴퓨터와 달리 박테리아는 빠르게 튀어 나왔습니다. Kacar는 실험실에서 하이브리드를 성장시켜 성장률과 수백 세대마다 기타 요인을 확인했습니다. 몇 달 만에 약 500 세대 만에 하이브리드 대장균과 현대의 상대방이 성장하고있었습니다. 이러한 생존자 균주는 구식 단백질로 인한 문제를 극복 할 수있는 방법을 진화시켜야합니다. 그러나 어떻게?

수정

다른 실험은 엔지니어링 된 단백질을 새로운 환경에 삽입했습니다. 시험 후 시험에서, 단백질은 정확히 동일한 경로를 통해 진화한다. 마치 진화가 동일한 결과를 생성하기 위해 반복해서 재확인 할 수있는 테이프 기록 인 것처럼. Kacar와 Gaucher는이 경우 비슷한 결과를 기대했습니다. Gaucher는“고대 유전자는 직접적인 조상이기 때문에 현대 대장균 유전자 서열처럼 보이게하는 돌연변이를 축적 할 것이라고 순진하게 생각했다.

그들은 착각했다. 그들이 연구 한 8 개의 대장균 균주 모두에서, EF-TU 단백질은 변하지 않았다. 대신, 7 개의 균주가 단백질이 사용되는 방식을 변화시켰다. 구체적으로, 대장균은 유전자 변화를 발전시켜 더 많은 단백질을 펌핑하게했다. Gaucher는“고대 단백질을 더 많이 만들면 세포가 중단 된 단백질-단백질 상호 작용을 다시 확립 할 수 있습니다.

여덟 번째 균주에서, EF-TU와 상호 작용하는 일부 단백질은 고대 버전에 더 잘 결합 할 수 있도록 변경되었습니다. 마치 현대적인 노트북의 소프트웨어가 구식 프로세서와 더 잘 작동하도록 조정 된 것 같습니다.

이 발견은 진화에 대한 지속적인 논쟁을 알려줍니다. 적응은 단백질을 만드는 유전자의 일부에 대한 변화를 진행합니까? 요컨대, 진화는 단백질 자체를 변경하는 데 가장 의존합니까, 아니면 세포가 단백질을 사용하는 방식을 변화시키는 데 달려 있습니까?

복잡한 생물학 세계에서 종종 그렇듯이, Kacar의 결과는 그 대답이 둘 다임을 시사합니다. 그러나 조절 돌연변이는 체력 향상을위한 더 쉬운 경로를 제공 할 수 있습니다. 단백질 생산을 강화하는 것은 단백질 자체의보다 효율적인 버전을 만드는 것보다 쉽습니다.

네트워크 허브

카카르의 실험은 고대 버전의 단백질이 살아있는 유기체에 성공적으로 삽입 한 후 진화 할 수있는 최초의 것으로 보인다. 그것은 매우 복잡한 노력이며, 단백질을 테스트 튜브에서 작동시키는 것보다 훨씬 어렵습니다. 고대 단백질이 현대 환경에서 전혀 작용한다는 사실은 그 자체로 중요하다고 말한다.

그러나 그 환경을 통해 과학자들은 EF-TU 허브를 둘러싼 전체 복잡한 네트워크의 진화를 연구 할 수 있습니다. Goldman은“우리는 진화에 대해 생각할 때 유기체 또는 유전자 수준에서 그것에 대해 생각하는 경향이 있습니다. "그러나 그들은 사이의 수준에 대해 말하는 결과를 포착했습니다." 이것은 대장균 세포 기계의 다양한 구성 요소 인 분자 맥락이 진화에 어떤 영향을 미치는지에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

허브 단백질 (50 개 이상의 다른 단백질이 결합)으로서 EF-TU는 변화에 저항력이있는 것으로 보이며 분자 파트너가 대신 적응하도록 강요합니다. 이는 네트워크 내에서 단백질의 위치가 시간이 지남에 따라 보존 될 것인지 가단성이 있는지 여부를 결정한다는 것을 시사한다. "내가 아는 한, 이것은 그 과정에 대한 첫 번째 명확한 견해입니다."

다른 단백질이 진화 한 대장균의 독특한 8 번째 균주는 이미 연구원들에게 세포에서 EF-TU 단백질의 역할에 대한 통찰력을 주었다. 고대 버전에 적응 한 단백질을 조사함으로써 Kacar와 Collaborators는 EF-TU의 새로운 바인딩 파트너를 식별 할 수있었습니다. Fournier는“Betul의 작업에서 특히 흥미로운 점은 돌연변이 스크린이 새로운 상호 작용 파트너를 식별하는 방법입니다.

이 파트너 단백질은 고대 이식과 일치하기 위해 시간을 거슬러 올라간 것으로 보이며, 연구자들이 고대 분자 네트워크를 함께 모을 수 있기를 희망합니다. 카카는“고대 유전자를 부활시키고 이해할 수는 없다”고 말했다. "고대 대사 경로를 부활시켜야합니다."

Kacar는 다음에 동일한 접근 방식을 훨씬 더 광범위하게 적용 할 계획입니다. 스웨덴 웁살라 대학교 (Uppsala University)의 공동 작업자와 함께 현대 대장균 유전자를 더 고대 버전으로 대체 할뿐만 아니라 다른 종의 외국 버전을 삽입 할 계획입니다. 그녀는 진화 나무의 대장균에서 시간을 거슬러 올라갈 때 진화 패턴을 찾을 것입니다. 이것들은 그녀의 증거의 조각, 먼 과거의 유물입니다. 살아 있고 가단성, 삶의 이야기를 드러 낼 수 있습니다.