Учёные восстановили давно исчезнувший предковый белок бактерий, синтезировали его в лаборатории и заставили снова работать. Эксперимент позволил буквально заглянуть в прошлое молекулярной эволюции и проследить, как из одного фермента постепенно появились два семейства белков с разными функциями. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.
Никакой сохранившийся миллионы лет белок исследователи не находили. Команда сравнила аминокислотные последовательности современных бактериальных ферментов и с помощью реконструкции предковых последовательностей вычислила, как мог выглядеть их общий предок. Затем рассчитанную последовательность превратили в настоящий белок и изучили его свойства экспериментально.
Учёных интересовали два родственных семейства нуклеаз, то есть ферментов, расщепляющих молекулы, построенные из компонентов генетического материала. diDNase преимущественно перерабатывает динуклеотиды ДНК, состоящие всего из двух связанных нуклеотидов. Родственный фермент nanoRNase C, или NrnC, способен работать как с короткими фрагментами ДНК, так и с РНК.
Современные белки различаются не только выбором молекул. diDNase обычно работает как комплекс из двух одинаковых субъединиц, тогда как NrnC образует структуру из восьми субъединиц. Исследователи хотели понять, появилась ли такая специализация после какого-то одного ключевого изменения или накапливалась постепенно.
Попытки найти единственную решающую мутацию результата не дали. Точечные изменения современных белков либо снижали их стабильность, либо не заставляли фермент переходить к ожидаемой функции. Тогда команда восстановила несколько предполагаемых предковых состояний и фактически получила промежуточные этапы эволюционного пути.
Самый ранний реконструированный общий предок образовывал димер и занимал промежуточное положение между современными ферментами по способности распознавать ДНК и РНК. После разделения эволюционных ветвей будущие diDNase постепенно усилили специализацию на ДНК, а линия NrnC расширила набор подходящих субстратов и приобрела способность эффективно перерабатывать динуклеотиды обоих типов.
Структурный анализ показал, что крупные функциональные различия возникли из множества сравнительно небольших изменений. Постепенные перестройки положения отдельных участков белка меняли форму области, где связывается субстрат, каталитическую эффективность и контакты между субъединицами. В одной из ветвей такой процесс в итоге позволил перейти от димерной организации к восьмичастному комплексу.
Трёхмерную структуру реконструированного белка исследовали с помощью рентгеновской кристаллографии на источнике PETRA III в немецком исследовательском центре DESY. Структура одного из предковых вариантов также доступна в международной базе белков , где комплекс представлен как гомодимер.
Эксперименты подтверждают важную особенность молекулярной эволюции: новая функция белка не обязательно появляется после одной эффектной мутации. Незаметные по отдельности изменения способны накапливаться, взаимодействовать друг с другом и со временем серьёзно менять как устройство молекулы, так и выполняемую работу.
Работа затрагивает и пока нерешённую биологическую загадку. Роль чрезвычайно коротких фрагментов ДНК из двух нуклеотидов изучена значительно хуже, чем функции аналогичных молекул РНК. Однако восстановленный общий предок уже предпочитал ДНК, а способность расщеплять ДНК-динуклеотиды сохранилась у современных представителей обеих линий. Авторы считают такое постоянство аргументом в пользу того, что у коротких фрагментов ДНК существует собственная биологическая функция.
diDNase также связаны с мобильными генетическими элементами, а бактериальные нуклеазы в целом участвуют в поддержании генома и защитных процессах. Поэтому исследователи собираются выяснить, могут ли изученные ферменты помогать бактериям противостоять вирусам. Пока такая роль остаётся гипотезой, и авторы отдельно подчёркивают, что до возможных биомедицинских применений ещё далеко.