Új eredmények az élet keletkezésének kutatásában

Az ELTE Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszékének, valamint a Tanszéken működő MTA-ELTE Elméleti Biológiai és Evolúciós Ökológiai Kutatócsoport és ELTE-MTA-MTM Ökológiai Kutatócsoport munkatársainak – Szathmáry Eörs akadémikus, Kun Ádám tudományos főmunkatárs és Szilágyi András tudományos főmunkatárs – az élet keletkezésével kapcsolatos új eredményei jelentek meg a Science folyóiratban.

Az ELTE kutatói Párizsi École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles biokémikusaival megmutatták, hogy a kompartmentalizáció lehetővé teszi a hasznos molekulák szelektív fennmaradását a parazita molekulák jelenlétében is.

Az élet keletkezésének megoldatlan problémái között több az „ökológiai”, azaz molekulák együttműködéséről, együttéléséről és kompetíciójáról szól. Szathmáry Eörs korábban megmutatta, hogy az enzimek (replikátorok) kompartmentbe (lipid membránba) zárása szükséges az információ fenntartásához. Ennek hiányában a paraziták – molekulák, amelyek részesülnek az enzimek termékeiből, de maguk nem járulnak hozzá az anyagcseréhez – gyorsan elözönlik a rendszert.

Ennek az elméleti eredménynek a kísérletes alátámasztását mutatják be a kutatók tanulmányukban. A Neurospora Varkud szatellita RNS enzim (VS ribozim) – amivel a kutatók korábban is behatóan foglalkoztak – egy módosulatának RNS-t hasítása volt az a funkció, aminek megőrzését tesztelték. Először egy nagyobb reakcióelegyben másolódhatott a VS ribozim. A másolás nem teljesen pontos és így mutáns szekvenciák keletkeznek. Ezek a mutánsok általában rövidebbek, s így gyorsabban másolhatóak. Ezek a parazita szekvenciák olyannyira elszaporodnak, hogy kiszorították az enzimet. Az elmélet alapján a kutatók ezt az eredményt várták: a nagy rendszerben – szelekció lehetősége híján – az értékes információ nem tud fennmaradni.

Az enzim kompartmenten belüli viselkedését egy olajban úszó, apró – 12 pikoliteres – vízcseppben vizsgálták. Mikrofluidika alkalmazásával lehetőség van ezen cseppek előállítására, elkülönült kezelésére, sőt a bennük levő anyagkoncentráció alapján a szelektálásra is. Amennyiben a cseppek közül azokat választjuk a következő generáció alapjának, amelyekben kellő mennyiségű szubsztrát átalakult (tehát elég működőképes enzim van benne) úgy az enzim stabilan fennmarad a populációban.

„Bár a tanulmány egyik erőssége a technikai megvalósítás, az elméleti munka nélkül fontos részleteket nem tudtunk volna tisztázni”, mondja Kun Ádám, a közlemény megosztott első szerzője. Egyrészről a 10 átoltás során való fennmaradás nem bizonyítja a hosszú távú túlélését a ribozimpopulációnak. Elméleti kutatásban ekkor azt vizsgálhatjuk, hogy más kezdeti koncentrációból indítva a populációt az egyensúlyi koncentrációhoz tart-e. A kísérletes eredményekkel felparaméterezett numerikus szimulációnk alapján alacsony ribozimkoncentrációból indulva a kompartmentalizált rendszerben a paraziták rovására nő az enzim koncentrációja.

Ezzel az eredménnyel visszamentünk a kísérletes csoporthoz, akik egy hasonló elrendezéssel bizonyították, hogy tényleges túlélésről van szó. A kísérletek drágák, az elméleti munka kevésbé, s így annak meg kellett előznie az újabb kísérleteket. A paraziták és az enzimek együttélésének magyarázata teljesen ránk hárult. Megmutattuk, hogy nem a leggyorsabban másolódó parazita él együtt az enzimmel, hanem egy „puha parazita”, ami csak kicsit másolódik gyorsabban az enzimnél. Így nem özönli el a „sejtet”, ami így a következő generációhoz hozzájárul, segítve a parazita terjedését. A kompartmentalizált rendszer szekvenálása után derült ki, hogy pontosan ez játszódik le a cseppekben. Az enzimhez képest nem sokkal rövidebb és így nem sokkal gyorsabban másolódó szekvenciák dominálták a parazita frakciót. A jól kevert rendszerben egy az eredeti enzimhez képest harmad akkora nagyon gyorsan másolódó szekvencia terjedt el.