Білковий Всесвіт

Пріони – це, звичайно, екзотика і рідкість. Ми познайомилися з ними, щоб краще розібратися у властивостях реплікаторів. А ще для того, щоб зрозуміти: не всякий реплікатор здатний забезпечити тривале і цікаве еволюційний розвиток.
Еволюція земного життя заснована в першу чергу на змінах білків, інструкції по створенню яких записані в білок-кодують ділянках ДНК. Самі по собі білки не є реплікаторами. Але вони можуть еволюціонувати «за Дарвіном», тому що їх будова визначається інформацією, записаною в молекулах ДНК – справжніх Реплікаторами, на ефективність розмноження яких впливають властивості кодованих ними білків. Фенотип [12] організму визначається в першу чергу білками. Тому якщо ми хочемо оцінити еволюційний потенціал земного життя, то для початку необхідно з’ясувати, в яких межах здатні змінюватися – під дією мутацій і відбору – структура та функції білків.
В оповіданні Борхеса «Вавилонська бібліотека» описана неймовірно величезна бібліотека, що містить абсолютно всі можливі тексти певної довжини. При цьому в бібліотеці немає двох однакових книг. Схожий образ величезного, але все ж кінцевого простору послідовностей використовують біологи, що вивчають еволюцію білків (Maynard Smith, 1970) [13]. Це уявний простір включає всі можливі «тексти», записані 20-буквеним амінокислотним «алфавітом». Наприклад, для білка довжиною в 300 амінокислот існує 20300 можливих послідовностей. У порівнянні з цим числом кількість атомів у Всесвіті (приблизно 1080) пренебрежимо мало.
Кожна точка в просторі послідовностей відповідає одному білку, а відстань між точками відображає ступінь відмінностей між двома білками. Еволюцію білкової молекули можна представити як рух у просторі послідовностей.
Кожній функції, виконуваної білками, відповідає якась область в просторі послідовностей, в межах якої будь-яка точка – це білок, здатний впоратися з цією функцією. До тих пір поки еволюція білка йде без зміни функції, його рух обмежено цією областю.
Головне питання в тому, наскільки великі такі області і яка їхня структура. Теоретично вони можуть бути як суцільними полями, так і лабіринтами вузьких стежинок, розділених «забороненими зонами».
Корисним доповненням до образу простору послідовностей є образ ландшафту пристосованості, введений у вжиток в 1932 році видатним американським генетиком Сьюел Райтом (1889-1988). Кожній точці простору послідовностей відповідає та чи інша величина пристосованості. Якщо мова йде про амінокислотної послідовності білка, то пристосованість можна розуміти як ефективність виконання білком своєї функції. Якщо мова йде про нуклеотидної послідовності генома, то пристосованість – це ефективність розмноження організму з таким геномом. Прийнято представляти області високої пристосованості у вигляді височин, найнижчою – у вигляді долин або ям. При цьому вищезгадані «поля» набувають вигляду гірських плато, «стежки» стають хребтами, а «заборонені зони» – долинами і прірвами.

Приблизно так уявляють собі біологи «ландшафт пристосованості». Два горизонтальних вимірювання символізують «білкову всесвіт», т. Е. Всі можливі амінокислотні послідовності білка (або нуклеотидні послідовності ДНК, якщо мова йде про «генетичної всесвіту»). Вертикальний вимір відображає пристосованість. Еволюціонуючи шляхом накопичення нейтральних або корисних амінокислотних замін, білок може рухатися цим ландшафту горизонтально або вгору. Спуск в долини заборонений, тому що мутації, що знижують ефективність роботи білка, відсіваються відбором. У результаті білок може опинитися в «пастці локального максимуму», т. Е. Застрягти на одній з другорядних вершин. Проте реальні ландшафти пристосованості, мабуть, являють собою не безліч самотніх піків, а лабіринти гірських хребтів. Рухаючись по гребенях, білок може обходити прірви, але на це йде багато часу. Саме тому деякі білки, успадковані сучасними організмами від останнього спільного предка всього живого, досі так і не досягли граничного рівня несхожості і продовжують повільно розходитися в просторі «білкової всесвіту».

Шкідливі мутації – це рух вниз по схилу, корисні – шлях наверх. Мутації нейтральні, які не впливають на пристосованість, відповідають руху уздовж горизонталей – ліній однакової висоти. Отбраковивая шкідливі мутації, природний добір заважає еволюціонує послідовності рухатися вниз по ландшафту пристосованості. Підтримуючи мутації корисні, відбір намагається загнати послідовність якомога вище [14].

Посилання на основну публікацію