Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

В кольцевом резервуаре рибозимы, сумевшие присоединить к себе молекулу субстрата, размножаются при помощи ферментов. В раствор добавлен флюоресцирующий краситель, присоединяющийся к молекулам рибозима. По силе флюоресценции можно следить за концентрацией рибозима. Как только эта концентрация увеличивается в десять раз по сравнению с исходной, компьютер запускает программу «разбавления». 90 % реакционной смеси удаляются из кольцевого резервуара (вместе с соответствующей частью молекул рибозима) и заменяются свежим раствором реагентов (субстрата и ферментов). Затем включается программа перемешивания (оставшиеся в резервуаре молекулы рибозима перемешиваются с новой порцией реагентов). Цикл повторяется раз за разом под управлением компьютера без всякого вмешательства человека.

За ходом эволюции можно следить по сокращению времени, затрачиваемого на прохождение системой одного цикла. Длительность цикла зависит от того, насколько быстро удесятерится концентрация рибозима, а это напрямую зависит от его (рибозима) эффективности. По мере того как в ходе эволюции рибозимы становятся все более эффективными, время прохождения циклов сокращается.

В ходе эволюции в кольцевом резервуаре точность копирования молекул рибозима весьма высока, мутации возникают редко. Поэтому для ускорения эволюции исследователи несколько раз прерывали автоматизированный процесс, извлекали реакционную смесь и подвергали молекулы рибозима интенсивному случайному мутированию. Это делалось при помощи «неточных», склонных к ошибкам ферментов-полимераз. Затем смесь рибозимов-мутантов возвращали в установку, и эволюция продолжалась под управлением компьютера. Исследователи использовали эти перерывы еще и для того, чтобы постепенно сокращать концентрацию субстрата в реакционной смеси — таким образом они «приучали» эволюционирующие молекулы обходиться все меньшими количествами субстрата. Рибозимам приходилось приспосабливаться к жизни во все менее благоприятных условиях.

После 70 часов искусственной эволюции с пятью «перерывами на мутирование» каталитическая активность рибозима увеличилась в 90 раз. Для этого потребовалось всего 500 циклов инкубации и разбавления. Концентрация субстрата была снижена к концу эксперимента в 20 раз по сравнению с исходной.

Поскольку часть реакционной смеси изымалась из установки в конце каждого цикла, исследователи имели возможность в деталях проследить эволюцию подопытной популяции рибозимов. Выяснилось, что 90-кратный рост эффективности фермента произошел благодаря последовательному закреплению 11 мутаций. Авторы изучили влияние каждой из них по отдельности. Оказалось, что 11 мутаций подразделяются на четыре функциональные группы, каждая из которых имеет свои особенности. Три из четырех групп повышают эффективность рибозима сами по себе, независимо от наличия или отсутствия других мутаций. Четвертая группа сама по себе не увеличивает, а в два раза уменьшает эффективность рибозима, однако в сочетании с другими мутациями она оказывает положительный эффект. Это яркий пример эпистаза.

Авторы исследования оптимистично заключают, что в недалеком будущем получить новый рибозим методом искусственной эволюции будет не труднее, чем запустить компьютерную программу.

Появление многоклеточных — типичный пример крупного эволюционного преобразования путем объединения множества простых репликаторов (в данном случае — клеток) в один комплексный.

В истории земной жизни многоклеточность возникала много раз. Помимо «настоящих» многоклеточных организмов (которых мы считаем настоящими исключительно задним числом, в ретроспективе, потому что из них «вышел толк») эволюция породила разнообразные ассоциации взаимосвязанных клеток, сформированные на базе бактерий и одноклеточных эукариот. Последние могут быть колониальными в течение всего жизненного цикла, как, например, шарик вольвокса, а могут превращаться в многоклеточный организм только по необходимости, как это происходит у амеб Dyctiostelium [62]при недостатке пищи.

По-видимому, «настоящая» (эволюционно перспективная) многоклеточность может получиться только на базе эукариот и только из клеток, обладающих единообразным геномом. Предположим, что эукариотическая клетка уже существует. Каким образом она превращается в многоклеточный организм? Что делает из законченного эгоиста, каковым является одноклеточный организм, совершенного коллективиста — представителя слаженного ансамбля клеток многоклеточного, в котором возможность размножаться оставлена только избранным? Для этого необычайного превращения клеткам сначала нужно перестать расходиться после деления. Затем следует дифференциация функций и структуры.

Почему клетки перестают расходиться? Одним из факторов отбора «на многоклеточность» могут быть хищники. Например, одноклеточная зеленая водоросль хлорелла формирует восьмиклеточные конгломераты, если хлореллу активно выедают жгутиконосцы. Увеличивая свой размер, водоросли защищаются от истребления.

Американским микробиологам из Миннесотского университета удалось проследить в ходе эволюционного эксперимента процесс превращения отдельных клеток дрожжей в многоклеточные ассоциации ( Ratcliff et al., 2012 ).

Культуру дрожжей рассадили в десять пробирок. В каждой из десяти линий вели отбор на многоклеточность, ежедневно пересаживая самую нижнюю фракцию культуры. Рецепт такой: сначала взболтать, потом дать постоять 45 мин, все слить, оставив для пересаживания нижние 10 мл с клетками. Клеточные агрегаты тяжелее одиночных клеток, поэтому они осаждаются быстрее. Постепенно в нижней части взвеси доля клеточных агрегатов становилась все выше. В результате отбора во всех пробирках через два месяца вырастали преимущественно клеточные агрегаты. Ученые назвали получившийся фенотип «снежинками». Действительно, клеточные агрегаты хоть и не могли похвастаться изяществом настоящих снежинок, но демонстрировали центральную симметрию и имели разветвленные выросты, так что вполне соответствовали новому имени. Новообразование оказалось стабильным: когда отбор на многоклеточность прекратили (теперь клетки пересаживали в новую среду из хорошо перемешанного раствора), дрожжи все равно формировали фенотип снежинок.

Снежинки сформировались за счет того, что клетки перестали расходиться после деления. Самое интересное, что у многоклеточных дрожжей появился даже собственный способ бесполого размножения. Достигая определенного размера, кластер отделяет многоклеточного потомка. Дочерний кластер по диаметру меньше родительского в 3–5 раз. Клеточные агрегаты начали размножаться как целостные объекты, а ведь это один из главных признаков, отличающих многоклеточный организм от сообщества одноклеточных.