Биологический каталог




Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул

Автор М.Эйген

эволюционирующая система («где-то» во Вселенной или «когда-нибудь» в лаборатории) могла бы использовать другой код, но он был бы основан* ha таких же принципах. Далее, с самого начала теперешний код мог быть и не единственным; однако нелинейная жесткая процедура отбора гарантирует его универсальность.

С другой стороны, следует подчеркнуть, что в настоящее время единственно правильным может быть утверждение: «Нельзя исключить возможность того, что ...». Поэтому единственный смысл сделанных выше оценок состоит в том, чтобы найти, при какой степени сложности случайное начало становится слишком маловероятным. Оргел выдвинул интересную идею о том, что в процессе эволюции происходила не нуклеация всего словаря (например, из 4 или 8 букв), а поэтапный или непрерывный переход к образованию системы трансляции, который начался с 1—2 предпочтительных соответствий между адаптором и аминокислотой. Наличие таких «изначальных» соответствий всегда будет увеличивать вероятность нуклеации самовоспроизводящейся функциональной сети.

Наконец, можно задать вопрос: как понимать такое «случайное началом трансляции с точки зрения физики?

Здесь снова надо прибегнуть к критерию ценности в теории отбора, который аналогичен принципу Приго-жина — Глансдорфа в нелинейной необратимой термодинамике. В самоорганизующейся системе с селекционным поведением (что определяется известными свойствами реакционной системы и наложением дополнительных внешних ограничений) появление нового вида или

ансамбля с большей селективной ценностью всегда будет приводить к неустойчивости, т. е. к разрушению прежнего стационарного состояния и построению нового стационарного состояния, в котором доминирует вид или ансамбль с наибольшей селективной ценностью. «Успех» нового вида подчинен определенным ограничениям и может корректно описываться стохастической теорией.

Мы приходим к следующему заключению.

Нуклеиновые кислоты обеспечивают выполнение необходимого условия самоорганизации. Однако, чтобы создать высокую информационную емкость, они нуждаются в каталитически активном связывающем факторе, имеющем большую способность к узнаванию. «Информация» приобретает свой смысл только посредством функциональной корреляции. Любая флуктуация, в присутствии потенциальных связывающих факторов ведущая к однозначной трансляции, и ее усиление посредством образования каталитического гиперцикла создает колоссальное селективное преимущество и вызывает распад прежнего стационарного состояния с некоррелированным самовоспроизведением.

Вследствие такой нестабильности нуклеация этой функциональной корреляции (мы можем назвать ее возникновением жизни) оказывается неизбежным событием —, если благоприятные условия существования потока свободной энергии поддерживаются в течение достаточно длительного времени. Это первичное событие не уникально. В любом случае код станет универсальным вследствие нелинейной конкуренции.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЭВОЛЮЦИИ

Ценность теоретической модели определяется тем, в какой мере она поддается экспериментальной проверке; ценность общей теории зависит от того, в какой мере она может направить такую работу и определить ясные и воспроизводимые условия для сравнительных исследований. Далее хороший эксперимент позволяет сделать выбор между возможными альтернативами, обычно путем исключения неверных.

Эволюционные эксперименты в пробирке пока еще очень немногочисленны, потому что необходимые для этого методы и объекты, т. е. строго определенные виды молекул, стали доступны только в последние годы. Остроумный и простой по замыслу прямой модельный эксперимент такого рода провели С. Спигелман и его группа. Мы обсудим его более подробно, поскольку он типичен для экспериментов именно такого рода, который предлагает наша теория (обзор литературы см. [114]).

§ VII.1. Система QjS-репликазы

История Q(3 началась с утверждения, под которым — в то время, когда его высказал С. Спигелман [115],— подписались бы очень немногие из его коллег-биохимиков. Это утверждение состояло в том, что фаг Qp использует специфичный фермент репликации, опознающий только РНК фага Q{5. В ответ на весь проявленный скептицизм Спигелман представил высокоочищенный и хорошо охарактеризованный фермент, способный катализировать воспроизведение инфекционной вирусной РНК в бесклеточной среде. Тот факт, что в бесклеточной системе действительно синтезировалась РНК» содержащая все инструкции, был продемонстрирован в следующем классическом эксперименте [116]. Раствор, не содержащий клеток, подвергали серийному разведению (оставляя на каждом этапе достаточно времени для воспроизведения), причем раствор в конечном разведении содержал менее Ю-15 доли исходного числа природных фаговых матриц, т. е. практически не содержал ни одной такой матрицы, и все-таки этот образец обладал такой же инфекционностью, как и исходный. Более того, использование чувствительного к температуре мутанта исключало возможность того, чтобы источником информации служило что-либо, кроме молекул РНК. Носителем этой информации является только плюс-цепь; поэтому для воспроизведения инфекционных молекул необходим индукционный период, в течение которого должны накопиться комплементарные (неинфекционные) минус-цепи. Воспроизведение всей популяции может инициировать даже одна матричная молекула, и в таком случае оно приводит к образованию клона идентичных потомков. Это было показано в опыте (см. Р. Левисон и С. Спигелман [117]), в котором образец разбавляли и разливали в пробирки. Благодаря синхронной инициации синтеза можно было идентифицировать пробирки, получившие 0, 1, 2 или более молекул матрицы — в строгом согласии с распределением Пуассона. Опыты по «обрубанию» показали, что для узнавания ферментом необходимы участки, распределенные по всей длине молекулы, включая обе концевые.группы: ни одну из двух половинок цепи по отдельности репликаза не узнавала. Так как плюс- и минус-цепи реплицируются при помощи одного и того же фермента, можно ожидать определенной симметрии в распределении комплементарных областей по длине цепи. Любые «внутренние» комплементарные участки одной цепи должны зеркально отражаться в комплементарной цепи, следовательно, они, вероятно, располагаются в 3'- и 5'-половинках симметрично.

Эту очень интересную структурную проблему можно решить путем анализа последовательности, который проводится (и частично завершен) в лаборатории Вейсмана [118]. Определением последовательности занималась также группа Спигелмана [119], которая показала, что 3'- и

б'-концы действительно в какой-то мере комплементарны. 5'-конец плюс-цепи имеет строение

фффГфГфГфГфАфАфЦфЦф ...

Минус-цепь тоже заканчивается группой фффГ на 5'-кон-це и имеет более длинную последовательность пуринов. Из этого следует, что З'-конец плюс-цепи имеет область, комплементарную 5'-концу; из-за комплементарности с минус-цепью она должна содержать много урацила и цитозина и также кончаться цитозином.

Открытие системы Q(3 может иметь как теоретическое, так и практическое значение. «Неожиданное структурное разнообразие и тонкость» (цитируется по С. Спи-гелману) отдельных молекул РНК делает понятным, каким образом силы отбора могли вмешаться во взаимодействие между нуклеиновыми кислотами и белками и направлять доклеточную эволюцию. В практических целях можно использовать специфичные участки узнавания: а) в сочетании с дегенерировавшей неинфекционной РНК, что может препятствовать фаговой инфекции; б) в качестве специфичных индукторов синтеза РНК в других, соответственным образом модифицированных системах.

§ VII.2. Дарвиновская эволюция в пробирке

Получение очищенной Qp-репликазы дало возможность поставить ряд интереснейших экспериментов, в которых определенный вид молекул подвергали давлению отбора посредством «серийных переносов» и заставляли их, таким образом, проделывать «эволюцию в пробирке». Эксперименты такого рода начинают с того, что берут стандартную реакционную смесь (см. [121]): 0,25 мл раствора содержат Ю*1 М трис-НС\, рН 7,4, 2- 10~2 М MgCl2, 3-Ю"3 М ЭДТА, по 200 ммкмоль АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ (УТФ помечен 32Р в а-положении, причем 4000 расп/мин соответствует 1 мкг синтезированной РНК) и 40 мкг QlB-репликазы (очищенной путем центрифугирования в градиентах CsCl и сахарозы). Подробное описание процедуры определения нуклеотидного состава, седиментационного анализа, а также различных анализов на ферментативную активность см. [120, 121].

Инкубируя эту смесь с вирусной РНК (в данном случае РНК чувствительного к температуре мутанта ts-1), инициируют синтез фермента и затем приготовляют

Переносы

Рис. 25. Эксперимент с серийными переносами РНК фага QJ3 [121].

Описание в тексте. Стрелки над переносами 0, 8, 14, 29, 37, 53 и 73 указывают, что в этих случаях от 0,01 до 0,1 доли продукта использовали в качестве затравки для вспомогательной реакции, продукт которой подвергали седи-ментационному анализу в градиенте сахарозы. Время инкубации: 20 мии (переносы 0— 13), 15 мин (переносы 14—29), 10 мин (переносы 30—38), 7 мин (переносы 39— 52) и 5 мин (переносы 53—74). Результаты показывают, что биологически компетентная РНК перестает появляться после 4-го-переноса. По оси ординат — радиоактивность (расп/мин на 0,25 мм) ХЮ-5 (для большого графика) и XIО-4 (для малого).

серию разбавлений, перенося каждый раз после определенного времени инкубации 0,02 мл реакционной смеси в 0,25 мл свежего стандартного раствора. Первая реакция инициировалась 0,2 мкг РНК ts-1, которую инкубировали в течение 20 мин при 35 °С. Затем время инкубации снижали от 20 мин (переносы 1 — 13) до 15 мин (переносы 14—29), до 10 мин (переносы 30—38), до 7 мин (переносы 39—52) и, наконец, до 5 мин (переносы 53— 74), после чего получали конечный продукт. При каждом переносе брали 0,02 мл смеси для подсчета импульсов и еще 0,02 мл для инициирования реакции в следующей пробирке. В переносах 0, 8, 14, 29, 37, 53 и 73 некоторое количество продукта использовалось для инициирования синтеза РНК, которую брали затем для седиментацион-ного анализа в градиенте сахарозы.

Анали

страница 27
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35

Скачать книгу "Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул" (2.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(09.07.2020)