Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул - Эйген М.
Скачать (прямая ссылка):
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]).
§ VI 1.1. Система Qji-репликазы
История Qp началась с утверждения, под которым — в то время, когда его высказал С. Спигелман [115],— подписались бы очень немногие из его коллег-биохими-ков. Это утверждение состояло в том, что фаг Qp использует специфичный фермент репликации, опознающий только РНК фага Qp. 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» содержа*
\
щая 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 I0-15 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'-полоЪинках 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. б'-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 б'-концу; из-за комплементарности с минус-цепью она должна содержать много урацила и цитозина и также кончаться цитозином.
Открытие системы Q(5 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.
