Ученые смоделировали процесс эволюции в пробирке

Американские ученые из Исследовательского института Скриппса разработали автоматизированную систему, которая позволяет за короткое время воссоздавать процесс эволюции молекул РНК. Статья с описанием результатов их работы опубликована в журнале PLoS Biology.

Ученые моделировали эволюцию молекул РНК, обладающих каталитическими свойствами. Выбранные для исследования молекулы способны катализировать собственное воспроизведение. Длинные молекулы РНК состоят из отдельных блоков - нуклеотидов. В присутствии нуклеотидов и фермента, который "собирает" на матрице молекулы РНК ее копию, молекулы могут размножаться.

Для воспроизведения процесса эволюции ученые выбрали молекулы РНК, которые не очень эффективно катализировали собственное размножение. Через 70 часов эволюции in vitro молекулы стали выполнять свои функции в 90 раз эффективнее.

Эксперимент проводился по следующей схеме. В реакционной смеси, где размножались РНК, содержался флуоресцентный краситель, который встраивается в новосинтезированные цепи РНК, однако не взаимодействует с отдельными нуклеотидами. Флуоресценция реакционной смеси постоянно измерялась. При ее усилении в 10 раз из смеси отбиралась аликвота (небольшое количество) и переносилась в пустую емкость. К аликвоте добавляли свежие реагенты, необходимые для размножения молекул: нуклеотиды и фермент, обеспечивающий синтез цепи.

Таким образом ученые моделировали процесс отбора. При наличии большого количества реагентов все молекулы РНК "выживают" и размножаются. В условиях недостатка реактивов преимущество получают молекулы, которые способны наиболее эффективно катализировать собственное размножение, а значит - увеличивать число копий самих себя.

Изначально все молекулы РНК имели одинаковую последовательность нуклеотидов. Однако при синтезе новых цепей фермент делает ошибки. Соответственно, "дочерние" молекулы не всегда являются точными копиями "родительских". Некоторые мутации новосинтезированных цепей никак не влияют на их функции, некоторые увеличивают эффективность синтеза, а некоторые, напротив, уменьшают.

В условиях недостатка реагентов преимущественно размножаются те молекулы, мутации в которых увеличили эффективность их "работы". Соответственно, число таких мутантных молекул растет. Число тех молекул, которые недостаточно эффективно катализируют свое размножение, не изменяется. Шансы таких молекул попасть в число "счастливчиков", которых заберут из истощенной смеси, все время уменьшаются.

Всего ученые провели 500 этапов отбора. Проанализировав молекулы, "дожившие" до последнего этапа, они обнаружили, что в них накопилось 11 мутаций, которые тем или иным образом увеличивали эффективность синтеза.

Помимо того, что разработанная учеными система наглядно иллюстрирует принципы дарвиновской эволюции, она может иметь и практическое применение. Используя разработанную ими схему отбора можно получать, например, молекулы, реагирующие на следовые количества загрязняющих веществ. Улучшая в процессе "эволюции" свойства таких молекул, можно добиться чрезвычайно высокой чувствительности.