Számítógépes szimuláció segítségével bizonyították a kromoszómák keletkezésének elméletét
Az Eötvös Loránd Kutatási Hálózat (ELKH) Ökológiai Kutatóközpont (ÖK) munkatársai Szathmáry Eörs evolúcióbiológus vezetésével a világon elsőként mutatták ki egy rendkívül fejlett számítógépes szimuláció segítségével, hogy a földi élet hajnalán hogyan jöhettek létre a kromoszómák.
A felfedezés alapjaiban változtathatja meg az élet keletkezésének kutatását. Elméletükről a közelmúltban jelent meg tanulmány a PLOS Genetics című szakmai folyóiratban, közölte az ELKH. Mint írják, az élet, a mai tudásunk szerint, nem képzelhető el információtovábbítás nélkül. Az élőlényeknek már a kezdet kezdetén át kellett adniuk a saját szervezetük felépítéséről és az életfolyamataik működéséről szóló információt a követő nemzedék tagjainak.
"Arról mára széles körű tudományos konszenzus alakult ki, hogy az első örökítőanyag-molekulák rövidek voltak, és a mai RNS-re hasonlítottak. Az RNS ugyanis egyszerre működik örökítőanyagként és enzimként is, vagyis az élethez szükséges molekuláris folyamatokat is képes irányítani". Kezdetben ezek a kezdetleges génekként működő rövid RNS-molekulák nem kapcsolódtak egymáshoz, mint ahogyan a mai élőlények sejtjeiben lévő kromoszómákon lévő gének kapcsolódnak. A kromoszómák megjelenése az élet evolúciójának egyik fontos mérföldkövét jelentette. De hogyan történt ez az ugrás?
"Ha e gének szabadon mozognak, és egymástól függetlenül készül róluk másolat, akkor egyesek óhatatlanul sikeresebbek lesznek, gyorsabban szaporodnak, és elnyomják a többieket. Vagyis az élőlény egésze nem maradhat fenn" – idézik Szathmáry Eörs akadémikust, az ÖK főigazgatóját. "Ennek a problémának mi, magyarok adtuk meg a máig legelfogadottabb megoldását még 33 évvel ezelőtt: sejtekbe kell csomagolni a géneket. Így a gének érdekei már azonosak, és nem előnyös egyikük számára sem, ha a sejt elpusztul. Mondhatjuk, mindenki egy csónakban evez, és senki nem nyer azzal, ha túlságosan ingatják a csónakot" – magyarázza az akadémikus.
A beszámoló szerint ezzel a sejtes szerveződés eredete magyarázatot nyert, de az összefüggő kromoszómák megjelenése továbbra is rejtély maradt. Az utóbbi jelenséget vizsgálva angol és magyar evolúcióbiológusok értek el áttörést 1993-ban. Már akkor számítógéppel modellezték az ősi sejtek működését, és kimutatták, hogy a kromoszómákká összekapcsolt gének sikeresebbek voltak, mivel csökkentették a gének sejten belüli versengését. Sőt emellett azt is biztosítják, hogy az azonos kromoszómán ülő gének együtt kerülnek át az osztódáskor szétváló utódsejtekbe, így a leszármazott biztosan tartalmazni fogja az összes szükséges gént a túléléshez.
Mint írják, 27 évvel ezelőtt e számítógépes szimuláció úttörő volt, de az akkori komputerek képességeit össze sem lehet hasonlítani a mai lehetőségekkel. Így a kutatók nemrégiben egy sokkal kifinomultabb, ezáltal valósághűbb körülményeket teremtő algoritmus segítségével továbbfejlesztették a kísérletet, az eredmények pedig még inkább elméletük helyességét bizonyították.
"A korábbi szimulációba nem vettük be a genetikai állomány megváltozásának, tehát a mutációknak a hatását, noha ez a jelenség az evolúció egyik valós hajtóereje. Emellett az úgynevezett dózishatás is hiányzott a kísérletből. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy ha a sejt több RNS-enzimet tartalmaz, akkor gyorsabban képes működtetni az életfolyamatait" – fejtette ki Szathmáry Eörs. A kutatók ezúttal mindezt figyelembe vették, így valósághűen sikerült modellezniük a korai sejtek küzdelmét, és bennük a kromoszómák létrejöttét. Azt vizsgálták, hogy az eltérő alkotóelemeket tartalmazó sejtek közül melyek válnak sikeressé a túlélésért folyó harcban. Azt feltételezték, hogy azok a sejtek lesznek sikeresebbek, amelyek jobban képesek védekezni a káros mutációk ellen. A kísérletből pedig egyértelműen kiderült, hogy a kromoszómával rendelkező sejtek e tekintetben felülmúlják a kromoszómát nélkülöző társaikat.
"A szimuláció megengedte a gének összekapcsolódását, vagyis a kromoszómák létrejöttét, de felbomlását is, ami az RNS-világban gyakran előfordulhatott. Kiderült, hogy a dózishatásnak engedelmeskedve olyan kromoszómák terjednek el a populációban, amelyekben több azonos gén kapcsolódik össze – vagyis megjelentek a ma ténylegesen is létező géncsaládok. Ráadásul e kromoszómák a különböző feladatot ellátó géneket azonos, kiegyensúlyozott mennyiségben tartalmazzák. A tudósok ezzel bizonyították, hogy a különböző gének a sejt számára optimális számban és arányban kapcsolódnak össze kromoszómákká, méghozzá spontán módon" – írják.
"A legnagyobb eredményünk, hogy bebizonyítottuk: a kromoszómák segítségével a sejtek több gént képesek fenntartani, mint kromoszómák nélkül. Ezáltal összetettebb élőlények jöhettek létre, és megjelenhetett az élet abban a formájában, ahogy azt mi ismerjük" – összegzi a vizsgálat eredményét Szathmáry Eörs, Széchenyi-díjas evolúcióbiológus.
