Биологи воскресили древний фермент общего предка бактерий

На фото большой призматический источник в национальном парке Йеллоустон, обязанный цветами бактериям-термофилам

(фото Jim Peaco/Wikipedia Commons).

Кристаллическая структура реконструированного ферментного комплекса триптофансинтетазы

(иллюстрация Busch et al.).

Современные ферменты в любом живом организме, можно сказать, работают как часы. В большинстве случаев они нацелены на ускорение какой-нибудь одной химической реакции с максимально возможной в живой системе эффективностью. Механизм взаимодействия фермента с субстратом (тем веществом, с которым он реагирует) по точности можно сравнить с тем, как ключ открывает свой замок.

Но так было не всегда. Ранние ферменты работали гораздо менее избирательно. В их структуре присутствовали "карманы", которые захватывали довольно широкий спектр химических веществ. Они контролировали целый ряд реакций, но до совершенства их работы было далековато.

Для того чтобы выяснить, когда же появились ферменты в их современном сложном виде, Рейнхард Штернер (Reinhard Sterner) и его коллеги из Университета Регенсбурга реконструировали триптофансинтетазу такой, какой она могла существовать ещё до отделения от общего предка бактерий и архей.

Триптофансинтетаза представляет собой целый ферментативный комплекс высокого уровня сложности, состоящий из четырёх субъединиц. Он отвечает за две последние стадии синтеза аминокислоты триптофана, которая является ключевой для бактерий, архей, растений и грибов, а также одной из незаменимых аминокислот для человека и животных.

Для начала исследователи проанализировали ген, кодирующий ферментативный комплекс у современных бактерий и архей, после чего данные были загружены в программу, которая должна была искать сходства между ними. Затем последовал этап моделирования тысяч разнообразных возможных последовательностей нуклеотидов.

Кристаллическая структура реконструированного ферментного комплекса триптофансинтетазы

В итоге была выбрана одна наиболее вероятная версия гена, которая была построена с учётом всех возможных эволюционных ответвлений различных типов бактерий от общего предка.

На следующем этапе ген был внедрён в клетку современной модельной бактерии E. coli (кишечная палочка), которая начала успешно вырабатывать триптофансинтетазу. Как сообщается в статье, опубликованной авторами в журнале Cell Chemical Biology, фермент вёл себя точно так же, как и его современные версии.

Заметим, что результаты этой работы противоречат некоторым предыдущим исследованиям. Есть специалисты, которые также полагают, что исследование выглядело бы более убедительным, если бы учёные проверили не только ген с наибольшей вероятностью попадания в цель, но и некоторые варианты, близкие к нему.

В целом же новые данные, если они будут признаны другими научными группами, отодвигают период формирования сложных ферментативных систем примерно на миллиард лет, то есть до отметки в четыре миллиарда лет назад, что существенно для истории формирования жизни на Земле.

Разумеется, остаётся ещё множество невыясненных вопросов. В частности, неизвестно, когда же всё-таки впервые возникли узкоспециализированные ферменты. Ведь данное исследование позволило проследить их историю только до последнего общего предка.

Также остаётся не до конца понятным, в какой среде обитания смогла зародиться такая молекулярная утончённость. Предварительные испытания показали, что ферментативный комплекс сохраняет свою структуру примерно до 70 ˚С, что подтверждает распространённую теорию о том, что ранние бактерии развивались при высоких температурах.