Работа проведена швейцарскими биохимиками в 2011 году. Они выбрали в качестве подопытного объекта не настоящие живые организмы, а квазиживую систему — популяцию размножающихся рибозимов (молекул РНК с каталитическими свойствами).
Авторы использовали хорошо изученный рибозим Azo, который есть у одной бактерии. Этот рибозим умеет разрезать в определенном месте «субстрат» — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, причем «обрезки» остаются прикрепленными к рибозиму. По этим прикрепленным обрезкам можно отличить рибозим, успешно выполнивший свою функцию, от рибозима-неудачника. Это позволяет осуществлять искусственный отбор рибозимов, благополучно разрезавших молекулу субстрата.
Авторы размножили исходный рибозим и создали две подопытные популяции (A и B). Эти популяции «жили» и размножались в течение 10 поколений. В каждом поколении проводился отбор на способность разрезать субстрат (короткую молекулу РНК). Те рибозимы, которым это удалось, отбирались и размножались при помощи особой технологии, которая называется полимеразная цепная реакция. Рибозимы при этом мутировали, точность размножения была нарочна сделана не очень высокой. Скорость мутирования составляла в среднем одну мутацию на «особь» на поколение.
Исследователи ожидали, что за 10 поколений такой жизни популяции приобретут значительный запас скрытой изменчивости. Рибозимы будут мутировать, вредные мутации отсеются отбором, а нейтральные накопятся. Известно, что исходный рибозим Azo справляется со своей функцией в очень широком спектре условий (например, он выдерживает нагревание до 80°C). Это говорит о высокой «помехоустойчивости» рибозима и позволяет надеяться, что к мутациям он окажется так же толерантен, как и к скачкам температуры.
Надежды оправдались: обе популяции за 10 поколений накопили изрядное количество мутаций. Исходных, немутантных, молекул «дикого типа» почти не осталось. Большинство особей отличались от исходного рибозима тремя-шестью мутациями.
Приспособленность популяций A и B (то есть их усредненная каталитическая активность) за 10 поколений практически не изменилась. Они не стали справляться со своей функцией лучше, чем исходный рибозим Azo. По-видимому, Azo уже был максимально оптимизирован для выполнения этой функции, и поэтому за 10 поколений эволюционирующим популяциям так и не удалось «найти» такую мутацию, которая бы сделала разрезание субстрата еще более эффективным. Ни одна из возникших мутаций не оказалась полезной и не была поддержана движущим отбором. Таким образом, в течение 10 поколений действовал только очищающий отбор, который отбраковывал «вредные» мутации, а нейтральные игнорировал, пассивно позволяя им накапливаться.
Теперь можно было проверить самое главное: поможет ли накопленная скрытая изменчивость приспособиться к новым условиям. «Новые условия» состояли в том, что исследователи заменили субстрат. Вместо стандартного олигонуклеотида (маленькой молекулы РНК) они предложили рибозимам его производное, в котором один из остатков фосфорной кислоты (расположенный как раз в том месте, где рибозим должен разрезать цепочку РНК) был заменен на фосфоротиоат. «Дикий» рибозим Azo справляется с таким субстратом, но с очень большим трудом (с низкой эффективностью).
После смены субстрата эволюционный эксперимент продолжался еще 8 поколений, но теперь в нём участвовали уже не две, а три популяции. К прошедшим 10 поколений искусственной эволюции линиям A и B добавилась третья, контрольная линия, состоящая из рибозимов «дикого типа» (WT) и не имеющая запаса скрытой изменчивости.
Все три популяции за 8 поколений в той или иной степени «приспособились» к новому субстрату, то есть стали разрезать его эффективнее, чем вначале. Однако популяции A и B приспосабливались быстрее и достигли в итоге большей эффективности, чем линия WT (см. рисунок).
Далее, авторы обнаружили, что в популяции A наибольшей численности достиг рибозим-мутант с семью точечными мутациями. В популяции B победителем эволюционного соревнования оказался другой мутант, у которого обнаружились четыре точечные мутации. Все мутации у двух «чемпионов» оказались разными.
Один из двух удачных мутантов действительно разрезает новый субстрат с очень высокой эффективностью. Что же касается второго удачного мутанта, то в чистом виде он, к удивлению ученых, вообще не смог справиться с новым субстратом. Оказалось, что это своеобразный рибозим-«прихлебатель»: он прекрасно режет новый субстрат только в присутствии других рибозимов (например, исходного). Это значит, что другие рибозимы каким-то образом помогают ему свернуться в правильную трехмерную конфигурацию. Подобные ситуации ранее уже были зарегистрированы в экспериментах с рибозимами. Заметьте, здесь мы столкнулись с интересными взаимоотношениями, в которые вступают друг с другом эволюционирующие живые системы. Это происходит само собой, и из этого потом рождаются сложнейшие системы отношений – от паразитизма до взаимовыгодного сотрудничества, общественного образа жизни и так далее.
Что касается линии WT, то в ней за 8 поколений так и не появились высокоэффективные мутанты, сравнимые с теми, которые появились в линиях А и B.
Авторы также выяснили, каким образом накопленная скрытая изменчивость помогла популяции B произвести удачливого мутанта (с четырьмя точечными мутациями). Оказалось, что после 10 поколений очищающего отбора в популяции B уже были рибозимы с одной, двумя и даже тремя мутациями из четырех, составляющих новый удачный генотип. Эти мутации по отдельности не дают никакого преимущества ни в старых, ни в новых условиях. Для эффективного разрезания нового субстрата нужны все четыре мутации вместе. Понятно, что наличие у некоторых рибозимов в популяции B отдельных мутаций из этого комплекса резко повысило вероятность возникновения удачного генотипа.
Исследование наглядно продемонстрировало потенциальную полезность скрытой изменчивости для быстрой адаптации к новым условиям. Чтобы скрытая изменчивость могла накопиться, эволюционирующие организмы должны быть помехоустойчивыми. Если бы исходный рибозим не обладал этим свойством, подавляющее большинство мутаций были бы для него в нормальных условиях вредными. Очищающий отбор безжалостно бы их отсеивал, и при смене условий в популяции не оказалось бы особей, «преадаптированных» к новому субстрату.
----------------------------------------------------
