Чтобы спастись от паразитов, первым живым системам достаточно было время от времени разделяться на мелкие капли

Схема размножения молекулы-репликатора ферментом Qβ-репликазой

Рис. 1. Молекула РНК, которая играла в эксперименте роль репликатора, состоит из генома вируса Qβ (MDV(-) RNA) со встроенным в него рибозимом (trans VS ribozyme). Рибозим разрезает другую молекулу РНК — субстрат (Substrate), производя две более короткие молекулы (Product), одна из которых при этом начинает флуоресцировать (оранжевый круг). Справа приведена схема размножения молекулы-репликатора ферментом Qβ-репликазой (размножать субстрат этот фермент не умеет) в капельке воды, плавающей в химически инертном масле. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Ключевым этапом зарождения жизни было появление химических репликаторов — комплексов молекул, способных к самокопированию и дарвиновской эволюции. Первые репликаторы должны были сразу же столкнуться с проблемой репликационных паразитов — «безбилетников», использующих ресурсы сообщества для собственного размножения и ничего не дающих взамен. Спасти зарождающуюся жизнь от засилья паразитов могла компартментализация — размножение внутри маленьких изолированных ячеек, таких как микрополости минералов или «протоклетки», окруженные липидными мембранами. Эксперименты на искусственных репликаторах показали, что для защиты от паразитов репликаторам не нужно постоянно находиться внутри компартментов: достаточно периодического разделения раствора на мелкие капельки, которые потом могут снова сливаться. Такой эволюционный режим не дает распространяться агрессивным паразитам, но сохраняет определенную пропорцию «умеренных» паразитов, не приносящих большого вреда сообществу и способных служить исходным материалом для полезных эволюционных новшеств.

Первые эволюционные эксперименты на искусственных репликаторах — комплексах молекул, размножающихся вне живой клетки, — были проведены еще в конце 1960-х годов. Удобной модельной системой для таких опытов являются компоненты бактериофага : молекула РНК, представляющая собой геном вируса, и его же фермент — Qβ-репликаза (см. Qβ replicase), которая размножает вирусную РНК (D. R. Mills, R. L. Peterson, S. Spiegelman, 1967. An extracellular Darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule).

В такой системе отбор поддерживает молекулы РНК с любыми мутациями, повышающими скорость репликации. В результате исходный вирусный геном стремительно деградирует, теряет более 80% своей длины и в итоге превращается в так называемого «монстра Шпигельмана» — маленькую молекулу РНК, имеющую мало общего с исходным вирусным геномом, но зато размножаемую Qβ-репликазой с максимальной скоростью. Фактически остаются только сигнальные последовательности нуклеотидов, необходимые для распознавания молекулы ферментом-репликазой и для запуска процесса репликации.

Подобные эксперименты ярко высветили серьезную проблему, с которой должна была столкнуться зарождающаяся жизнь. Как только появляется содружество молекул (например, рибозимов), способное к производству собственных копий, в нем обязательно должны сразу же завестись паразиты — молекулы-мутанты, которые умеют быстро размножаться за чужой счет, не принося при этом пользы сообществу. Если зарождающаяся жизнь не сумеет защититься от таких «безбилетников», их бесконтрольное размножение неизбежно и очень быстро погубит ее.

Спастись от паразитов помогает компартментализация, то есть обособление небольших порций размножающихся молекул в изолированных ячейках (компартментах). В этом случае будет работать групповой отбор на уровне ячеек, который даст преимущество населению тех ячеек, где паразитов мало. Групповой отбор будет противодействовать индивидуальному отбору на уровне отдельных молекул, который дает преимущество паразитам.

В роли исходных компартментов могли выступать «протоклетки» (см. Protocell), окруженные примитивными мембранами из абиогенно синтезированных жирных кислот, спиртов и липидов (см. ссылки в конце новости). Впрочем, для того, чтобы эффективно контролировать рост и размножение протоклетки, сидящий в ней химический репликатор, по-видимому, должен быть уже довольно сложным, в то время как проблема безбилетников встает в полный рост уже перед самыми первыми, простейшими репликаторами. Поэтому важно понять, могут ли какие-то более простые варианты компартментализации (в том числе временная компартментализация с периодическим слиянием содержимого компартментов обратно в «общий котел») защитить зарождающуюся жизнь от паразитов.

Уже получены экспериментальные подтверждения того, что компартментализация действительно может защитить примитивные репликаторы от засилья безбилетников (N. Ichihashi et al., 2013. Darwinian evolution in a translation-coupled RNA replication system within a cell-like compartment; Y. Bansho et al., 2016. Host–parasite oscillation dynamics and evolution in a compartmentalized RNA replication system). В таких опытах роль компартментов обычно играют капельки воды с растворенными ингредиентами (например, той же Qβ-репликазой и молекулами РНК), которые плавают в химически инертном масле.

Биологи и химики из Франции, Венгрии, Германии и Японии сделали следующий шаг в данном направлении, показав, что даже временная компартментализация, чередующаяся с периодами слияния компартментов, в состоянии уберечь простые репликаторы от вымирания, вызванного бесконтрольным размножением паразитов. Такая периодическая компартментализация могла происходить, например, при формировании аэрозолей или в микрополостях минералов вблизи термальных источников.

В эксперименте роль репликатора играл геном фага Qβ, в который был вставлен фрагмент РНК с ферментативной активностью (рибозим), позаимствованный из митохондриального генома гриба Neurospora (см.: H. C. Guo, R. A. Collins, 1995. Efficient trans-cleavage of a stem-loop RNA substrate by a ribozyme derived from neurospora VS RNA). Этот рибозим умеет разрезать в определенных местах другие молекулы РНК. В качестве субстрата (то есть разрезаемой молекулы) в эксперименте использовалась молекула РНК с присоединенной оранжевой флуоресцентной меткой, сконструированная таким образом, чтобы флуоресценция начиналась только после того, как субстрат будет разрезан рибозимом (рис. 1). Размножение репликатора (генома фага Qβ со встроенным рибозимом) осуществлялось при помощи Qβ-репликазы. Молекулу субстрата этот фермент не размножает. За ходом репликации следили при помощи зеленого флуоресцентного красителя для РНК (чем больше молекул РНК в пробе, тем ярче зеленая флуоресценция). В ходе репликации, как и положено, с определенной частотой возникали случайные мутации, в том числе делеции — выпадения фрагментов РНК.

Авторы сравнили три эволюционных режима.

В первом случае репликатор эволюционировал просто в растворе, без компартментализации. Процесс продолжался три часа, затем из раствора выделяли РНК, добавляли свежие реагенты и запускали новый цикл.

Во втором случае раствор подвергали компартментализации — разделению примерно на миллион капелек диаметром 28 мкм. Через три часа все капли объединяли, выделяли из них РНК и переходили к следующему циклу.

В третьем случае всё делалось так же, как во втором, с единственным отличием: после трех часов репликации объединялись не все капельки, а только те, в которых наблюдалась сильная оранжевая флуоресценция. Иными словами, отбирались те капли, в которых репликатор не утратил свою ферментативную функцию — способность разрезать «субстрат». Для отбора флуоресцирующих капель использовался специфический вариант метода, разработанного ранее для сортировки флуоресцирующих клеток (см.: Fluorescence-activated cell sorting (FACS); J.-C. Baret et al., 2009. Fluorescence-activated droplet sorting (FADS): efficient microfluidic cell sorting based on enzymatic activity).

В первом эволюционном сценарии (без компартментализации и без искусственного отбора) функциональные репликаторы-рибозимы полностью вымерли уже к четвертому циклу. Популяцию заполонили паразиты: короткие мутантные молекулы РНК с резко повышенной скоростью репликации, не имеющие каталитической активности (не способные разрезать субстрат). При этом разнообразие получившихся паразитов было невелико. Этого и следовало ожидать, поскольку в данном сценарии отбор шел только на скорость репликации, независимо от того, как это влияло на функциональность молекул.

Во втором сценарии (с компартментализацией, но без искусственного отбора) конечный итог получился такой же: функциональные репликаторы-рибозимы были полностью вытеснены паразитами. Правда, на это ушло больше времени: не три-четыре цикла, а шесть-семь. По-видимому, задержка объясняется тем, что периодическая компартментализация замедляет распространение мутантов с высокой скоростью репликации: они не могут распространиться за пределы той капли, в которой возникли, до очередного объединения капель.

В третьем сценарии функциональные репликаторы-рибозимы не были вытеснены паразитами даже за девять циклов (на этом эксперимент был прекращен). Таким образом, идея о том, что периодическая компартментализация помогает примитивным репликаторам защищаться от паразитов, получила экспериментальное подтверждение. Правда, некоторое количество репликаторов-паразитов — укороченных молекул РНК с повышенной скоростью репликации, не обладающих каталитической активностью, — всё же появилось и в этом случае. Однако эти паразиты были, во-первых, менее агрессивными: по скорости размножения они лишь ненамного (в 1,1–1,2 раза) превосходили функциональные рибозимы-репликаторы, тогда как в первых двух случаях победившие в конкуренции паразиты размножались в 1,4–1,6 раз быстрее исходной молекулы. Во-вторых, генетическое разнообразие этих «умеренных» паразитов оказалось выше, чем в первых двух случаях.

Обе особенности репликационных паразитов, распространившихся в условиях периодической компартментализации и отбора — «умеренность» и повышенное разнообразие — по-видимому, объясняются тем, что отбор капель, в которых сохранилась каталитическая активность, эффективно противостоит происходящему внутри капель индивидуальному отбору на уровне отдельных молекул. Групповой отбор делает сохранение каталитической активности у капли в целом жизненно важным для самих паразитов. В этих условиях агрессивные паразиты, предельно оптимизированные по скорости размножения (и поэтому более или менее одинаковые), обрекают каплю, в которой они расплодились, на гибель, но при этом и сами погибают (отбраковываются) вместе с ней. Поэтому агрессивные паразиты в этих условиях не могут распространиться. Что касается умеренных паразитов, лишь слегка превосходящих исходную молекулу по скорости размножения, то они не приносят заметного вреда капле в целом и поэтому сохраняются. Они более разнообразны, чем агрессивные паразиты, потому что существует больше способов немного увеличить скорость репликации, чем способов увеличить ее до предела. В ходе дальнейшей эволюции такие почти безвредные сожители могут стать ценным источником генетических новшеств для развивающейся живой системы. Ведь в любом из них может возникнуть мутация, которая превратит умеренного паразита в полезный компонент сообщества.

Дополнительные эксперименты показали, что в сценарии «компартментализация плюс отбор» ход эволюции зависит от среднего числа молекул РНК, попадающих в каждую каплю. Чем оно меньше, тем эффективнее идет отбраковка паразитов и тем ниже равновесная доля паразитических молекул РНК в общей совокупности репликаторов.

Результаты данного исследования перекликаются с другим эволюционным экспериментом, в котором было показано, что периодическое «разбрызгивание» смешанной культуры бактерий-эгоистов и бактерий-кооператоров позволяет сдерживать рост глобальной численности эгоистов несмотря на то, что в каждой отдельной «брызге» доля эгоистов всегда растет (см.: Альтруисты процветают благодаря статистическому парадоксу, «Элементы», 16.01.2009).

Исследование показало, что положить конец безудержному размножению репликационных паразитов в примитивных живых системах проще, чем считалось до сих пор. Для этого не нужны такие сложные структуры, как протоклетки с липидными мембранами. Вполне достаточно периодического разбрызгивания раствора репликаторов (с последующим стеканием капель обратно в водоем), которое могло происходить в активных геотермальных водоемах молодой Земли.

Источник: Shigeyoshi Matsumura, Ádám Kun, Michael Ryckelynck, Faith Coldren, András Szilágyi, Fabrice Jossinet, Christian Rick, Philippe Nghe, Eörs Szathmáry, Andrew D. Griffiths. Transient compartmentalization of RNA replicators prevents extinction due to parasites // Science. 2016. V. 354. P. 1293–1296. DOI: 10.1126/science.aag1582.

См. также об экспериментах с протоклетками и простейшими репликаторами:
1) Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008.
2) Искусственные протоклетки синтезируют ДНК без помощи ферментов, «Элементы», 09.06.2008.
3) Тайна происхождения жизни скоро будет разгадана?, «Элементы», 12.01.2009.
4) Рибозимы могут размножать друг друга, «Элементы», 13.04.2011.
5) Синтез РНК в «протоклетках» всё-таки возможен, «Элементы», 02.12.2013.
6) Созданы рибозимы, синтезирующие зеркальные копии самих себя, «Элементы», 03.11.2014.

Александр Марков


23
Показать комментарии (23)
Свернуть комментарии (23)

  • Вячеслав Рогожин  | 19.12.2016 | 19:04 Ответить
    Теперь бы совместить это исследование с отраженным в данной статье: http://elementy.ru/novosti_nauki/432350/Sozdany_ribozimy_sinteziruyushchie_zerkalnye_kopii_samikh_sebya , и стало бы совсем интересно...
    Ответить
  • DeniGam  | 19.12.2016 | 19:47 Ответить
    Странно, но в выводах нет ни слова про естественный аналог того самого отбора, который проводился в эксперименте. Разбрызгивание. как я понял, скорее оттягивает проблему, чем её решает, и отбор - играет ключевую роль в результате. По крайней мере такое впечатление сложилось после прочтения текста.
    Ответить
    • Марков Александр > DeniGam | 20.12.2016 | 12:13 Ответить
      Такой отбор будет обеспечен автоматически наличием у репликатора любой функции, помогающей ему размножаться.
      Ответить
      • sVv#14 > Марков Александр | 04.01.2017 | 12:55 Ответить
        Cогласен, но где, скажите на милость, при такой защите вообще мотвация к объединению. Соединились-разбежались и так до бесконечности, никакого устойчивого организма-клетки не получится. Вы спасаете живые системы от репликативных паразитов ценой уничтожения этих систем. Периодический распад любой сложной системы становится перманентно необходимым. Но как раз именно в клетках мы этого не наблюдаем. Клетки не распадаются/сливаются, а делятся, при этом их геномы не распадаются на отдельные авторепликаторы-гены, конкурирующие друг с дружкой, чтобы потом вновь слиться. Геном при делении аккуратно удваивается, причем копии друг с другом не конкурируют. Принцип Вирхова никто не отменял.
        Ответить
  • OSAO  | 19.12.2016 | 20:38 Ответить
    Верно ли я понял, что сначала в белковом бульоне возникли вирусы - структуры, способные к самокопированию. Затем вирусов стало так много, что они стали реплицировать во всевозможных местах, в т.ч. под протомембранами и пленками, где могли спокойно, без затрат на борьбу с паразитами, совершенствовать механизм самокопирования. Потом часть из этих счастливчиков включила эти пленки в процесс репликации, сделала их защитными на постоянной основе, и так появились первые бактерии.
    Ответить
    • Вячеслав Рогожин > OSAO | 19.12.2016 | 21:16 Ответить
      А вот чтобы провести верные параллели, выделить основные понятия и не зацикливаться на вирусах, человеку, не знакомому с проблематикой, и стоит сперва ознакомиться хотя бы с этой статьей, в свою пору напечатанной на этом же сайте: http://elementy.ru/novosti_nauki/432350/Sozdany_ribozimy_sinteziruyushchie_zerkalnye_kopii_samikh_sebya ...
      Ответить
    • PavelS > OSAO | 20.12.2016 | 04:34 Ответить
      Да, возникали цепочки из молекул, несущих генетическую информацию, по сложности близкие к РНК современных вирусов. О том, что это были за молекулы, ничего не известно - даже не ясно, было ли то РНК или что-то другое.

      Только вот я бы не называл бы структуры, способные самокопироваться, вирусами. Уж очень неудачный термин. Термин "вирус" подразумевает некую несамостоятельность, т.е. вирус не может жить на чистом бульоне, ему надо на ком-то паразитировать, т.е. рядом с вирусом подразумевается кто-то более сложный (за счет кого вирус будет размножаться). Аналогом вирусов являются как раз короткие, быстро копирующиеся фрагменты, которые вредны делу развития жизни в целом и в данной модели называются паразитами.

      Самокопирующиеся генетические фрагменты в размерах одной брызги воды или пузырька можно называть протоклетками. В этом плане вирусы тоже эволюционировали в сравнении с описанными в статье паразитами. С появлением клеточных мембран, им нужно не только быстро размножаться в пределах (прото)клетки, но и прорывать клеточные мембраны, выходить наружу и проникать внутрь других клеток. Для этого служат сложные белковые комплексы, входящие в состав вирусов, что конечно же сильно усложняет всю картину.
      Ответить
      • OSAO > PavelS | 20.12.2016 | 11:40 Ответить
        ...можно называть протоклетками. ...вирусы тоже эволюционировали...
        @
        А как насчет протовирусов? Я смотрю на биологическую эволюцию с отстраненно-философской позиции как на борьбу/смену/эволюцию принципов. Принципов жизни. Репликация как принцип существовала и до Большого взрыва , ))), но когда и как этот принцип смог реализоваться в природе? И почему именно так и именно тогда?
        Самоорганизация материи - фундаментальный принцип. Он действует и в "мертвом" веществе. Супрамолекулы могут образовывать и двойные спирали, и тройные, и звезды, и решетки, и цилиндры просто методом самосборки. У них и самораспознавание есть. Но это не жизнь.
        Принцип самоорганизации в белковых структурах реализовался как репликация. Ну, пусть сначала на протоцепочках и далее до клетки как формы защиты принципа репликации. Получается, жизнь возникает тогда, когда принцип находит способ защитить себя. Точнее, пробует разные способы, и реализуется эволюционный пучок возможностей. А внешняя среда отсекает лишнее.
        Ответить
        • PavelS > OSAO | 20.12.2016 | 22:41 Ответить
          Я ничего не понимаю в отстранённо-философских позициях. По мне так рассуждения о том, что было до Большого Взрыва, это всё высосано из пальца. Извиняй.

          Вопрос о том, что есть жизнь не имеет однозначного ответа, т.к. это спор о терминологии.
          Ответить
        • feb7 > OSAO | 21.12.2016 | 20:37 Ответить
          Сорри. Согласно современным представлениям, время в нашей Вселенной стало тикать именно в момент Большого взрыва. Таким образом, говорить, что что-то было ДО Большого взрыва - несколько наивно.
          Ответить
          • OSAO > feb7 | 22.12.2016 | 12:55 Ответить
            Ну, зачем так серьезно? Я там вроде три улыбки поставил, типа, трижды пошутил... Чтобы закончить с той шуткой, я её дополню: конечно, до БВ что-то было, только мы не можем представить, что именно. Иначе нам придется допустить акт творения из ничего.
            А по живым системам (ЖС)моя мысль состояла в следующем. Прежде, чем в нашей вселенной что-то возникнет, ему должно быть разрешено возникнуть. Назовите это законом или принципом, не важно. Важно, что эволюция системы есть пути реализации имманентно заложенных в систему возможностей.
            О репликации: реплицируются ведь и прионы, но это не ЖС. Ещё есть вирусы, и тут пока спорят - ЖС, не ЖС. Затем - клетка, точно ЖС. А возможны были прото-ЖС?
            Если вирус - это ЖС, нуждающаяся для самокопирования в "живой" среде, то клетка - это ЖС, носящая такую среду с собой. Но клетка не могла возникнуть скачком, как сущность из диамата. Где-то тут должно быть место для прото-ЖС.
            Ответить
            • feb7 > OSAO | 24.12.2016 | 02:09 Ответить
              Не пытайтесь отделаться шуточками. Вы сейчас допустили спонтанное рождение Вселенной из вакуума, сформулировали антропный принцип и наивно изложили гипотезу РНК-мира.

              Меня еще мой дипломный руководитель поучал: прежде чем изобретать велосипед - потрудись изучить прототипы. Вдруг его уже изобрели до тебя.
              Ответить
              • OSAO > feb7 | 24.12.2016 | 08:46 Ответить
                А вы как понимаете то, что я "допустил"? Гипотеза РНК-мира не приемлет упомянутое мной самокопирование прионов. Отбрасываем. Антропный принцип, вообще-то, это телеология, заточенная под человека, а я говорил об имманентных свойствах процессов. Отбрасываем. "Ничего" есть форма энергии, неизвестной, о которой мы не можем сказать ничего. Или вы подразумеваете скачок из пустоты?
                Ответить
                • feb7 > OSAO | 24.12.2016 | 20:04 Ответить
                  Вы хоть сами себя понимаете сейчас?
                  Ответить
                  • OSAO > feb7 | 25.12.2016 | 08:34 Ответить
                    Трудно? И никакого мудрого высказывания дипломного руководителя не припоминается?
                    Ответить
                    • feb7 > OSAO | 25.12.2016 | 20:08 Ответить
                      >> Трудно?

                      Да не очень. Вот например:

                      "Вопрос одного дурака может поставить в тупик тысячу мудрецов".
                      Ответить
                      • OSAO > feb7 | 25.12.2016 | 22:05 Ответить
                        Не дружил ваш препод с классикой...Хоттабыч говорил Вольке про семь мудрецов.
                        Вообще-то, наука тогда и появляется, когда мудрецы бессильны. На всякого мудреца, говорят, довольно простоты...
                        Ответить
      • sVv#14 > PavelS | 04.01.2017 | 13:09 Ответить
        Какие же они протоклетки, если они то и дело разваливаются, а потом снова собираются. Все прелесть клетки в том, что она только делится. Забыли принцип Вирхова - каждая клетка от клетки, только конъюнктивное размножение. Это вирусы можно разложить на составные части, перемешать эти части и собрать вновь (дизъюнктивное размножение). Как раз клетки-то при таком способе борьбы с паразитами и не получится. Если Вы запихнули авторепликатор под оболочку - это еще далеко не клетка, это плазмида под оболочкой. Клеткой она станет, когда сможет устойчиво самовоспроизводиться, а не собираться из самовоспроизводящихся частей.
        Ответить
  • PavelS  | 20.12.2016 | 04:49 Ответить
    Есть интересная тема уже по современной биологии... вирусы заражают клетки, и начинают в них самокопироваться. В этих условиях в зараженных клетках безо всяких сомнений будут размножаться и не-вирусные фрагменты РНК, а ещё и более короткие молекулы. Т.е. в клетке, зараженной вирусом, на вирусных белках будут паразитировать и другие молекулы. Вирус паразитирует на клетке, на нём паразитируют олигонуклеотиды попроще...

    О чем-то похожем доводилось тут читать на элементах - амёбы, заражённые цитомегаловирусом, начинают размножать в себе и более простые вирусные частицы, которые без цитомегаловируса не могут размножаться (т.е. второй вирус использует белки цитомегаловируса). В итоге цитомегаловирус размножается медленней, а амёба живёт дольше и общая эпидемия цитомегаловируса идёт более медленно.

    Так что о бактериофагах известно давно и много, интересней бы подумать про лечение вирусов подобными вирусами.
    Ответить
  • Rattus  | 20.12.2016 | 12:36 Ответить
    >Групповой отбор будет противодействовать индивидуальному отбору на уровне отдельных молекул, который дает преимущество паразитам.

    О, значит это фактически и есть групповой отбор!
    По-моему это очень мощное доказательство в пользу его роли в эволюции.
    Ответить
    • PavelS > Rattus | 20.12.2016 | 22:43 Ответить
      Вся многоклеточность - один сплошной групповой отбор.
      Ответить
  • Скеп-тик  | 22.12.2016 | 12:03 Ответить
    Можно обратить внимание на такой нюанс. Капля, отделенная от "бездонного" источника ресурсов, резко ограничивает продолжительность жизни экосистемы внутри себя, вследствие чего отбор пойдет в другую сторону - уменьшение скорости репликации.
    Например, капля, выброшенная из термального источника, смывается обратно в источник через сутки, в результате живыми возвращаются умеренные, которые быстро эволюционируют в "проглотов", пока снова не окажутся выплеснутыми, и снова почистятся от обжор.
    Ответить
    • sVv#14 > Скеп-тик | 04.01.2017 | 13:16 Ответить
      А почему бы отбору вообще не запретить разбрызгивание? Cажаем ферменты на глину по Четверину и все. Кстати, при наличии "бездонного" источника ресурсов сама проблема паразита исчезает - незачем бороться, если пищи всем хватит (первое условие Дарвина) и отбор пойдет лишь на привязку к этому ресурсу.
      Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»