Międzynarodowa współpraca czterech starszych naukowców z Moguncji, Walencji, Madrytu i Zurychu opublikowała przełomowe badania w czasopiśmie PNAS, rzucając światło na najważniejszy wzrost złożoności w historii ewolucji życia na Ziemi: pochodzenie komórki eukariotycznej. Podczas gdy teoria endosymbiotyczna jest powszechnie akceptowana, miliardy lat, które minęły od fuzji archaea i bakterii, spowodowały brak ewolucyjnych związków pośrednich w drzewie filogenetycznym aż do pojawienia się komórki eukariotycznej. Jest to luka w naszej wiedzy, zwaną czarną dziurą w sercu biologii. „Nowe badanie jest mieszanką teoretycznych i obserwacyjnych podejść, które ilościowo rozumie, w jaki sposób architektura genetyczna życia została przekształcona, aby umożliwić taką złożoność”, stwierdził dr Enrique M. Muro, przedstawiciel Johannes Gutenberg University (JGU) w tym projekcie.
Białka i geny kodujące białka rosną długość
Artykuł w PNAS pokazuje, że rozkłady długości białka i odpowiadające im geny są zgodne z logarytmicznymi rozkładami na całym drzewie życia. Aby to zrobić, przeanalizowano 9 913 różnych proteomów i 33 627 genomów. Rozkłady logarytmiczne zwykle powstają w wyniku procesów multiplikatywnych. Zgodnie z zasadą brzytwy Ockhama naukowcy modelowali ewolucję rozkładów długości genów jako multiplikatywne procesy stochastyczne. W rzeczywistości modelowali działanie wszystkich operatorów genetycznych połączonych w odniesieniu do długości sekwencji. Począwszy od Luca, tj. Hipoteza ostatniego powszechnego przodka powszechnego, z którego trzy domeny życia – bakterie, archaea i eukarya – powstały, naukowcy stwierdzili zarówno teoretycznie, jak i obserwacyjnie, że średnie długości genów ewoluowały wykładniczo nad czasem ewolucyjnym na różnych gatunkach. Ponadto odkryli, że niezmienny mechanizm wzrostu genów na całym drzewie życia, w którym wariancja bezpośrednio zależy od średniej długości białka. Reprezentując wszystkie gatunki schwytane w 33 627 genomach, zespół był w stanie obserwacyjnie zweryfikować prognozy, a ponadto pokazuje, że średnia długość genu jest bardzo dobrym surogatem złożoności organizmu. W czystym ćwiczeniu biologii ilościowej dr Bartolo Luque z Polytechnic University of Madryt dodał: „Z znaczenia średniej długości genów kodujących białko u gatunku, możemy obliczyć cały rozkład długości genu w tym gatunku”.
Reprezentując ewolucję średniej długości białka w porównaniu z ich odpowiednimi długościami genów dla różnych gatunków, obserwuje się, że ewoluują one jednocześnie u prokariotów, ponieważ w ich genach nie ma prawie żadnych sekwencji niekodujących. Jednak gdy średnia długość genu osiągnie 1500 nukleotydów, białka oddzielają się od mnożnego procesu wzrostu genów, a średnia długość białka stabilizuje się po wystąpieniu komórki eukariotycznej przy około 500 aminokwasach w czystym progu, oznaczając pojawienie się komórki eukariotycznej. Od tego momentu i w przeciwieństwie do tego, co dzieje się z białkami, średnia długość genu stale rośnie, tak jak w prokariotach, ze względu na obecność sekwencji niekodujących.
Algorytmiczne przejście fazy
Krytyczna analiza zjawisk stwierdziła następnie, że przejście fazowe, dobrze zbadane w fizyce materiałów magnetycznych, nastąpiło przy krytycznej długości genu 1500 nukleotydów. Oznaczało to eukariogenezę i dzieli ewolucję życia na dwie odrębne fazy: fazę kodowania (prokarya) i fazę niekodującą (Eukarya). Dodatkowo obserwuje się charakterystyczne zjawiska tych przejść, takie jak krytyczne spowolnienie, w którym dynamika systemu uwięziła w wielu staniach metastabilnych wokół punktu krytycznego. „Jest to potwierdzone we wczesnych protogach i grzybach” – powiedział dr Fernando Ballesteros z University of Valencia.
Ponadto „przejście fazowe było algorytmiczne”, dodał profesor Jordi Bascompte z University of Zurych. W fazie kodowania, w scenariuszu zbliżonym do Lucy, z krótkimi białkami, zwiększenie długości białek i odpowiadających im genów było proste obliczeniowo. Jednak wraz ze wzrostem długości białka poszukiwanie dłuższych białek stały się niewykonalne. To napięcie spowodowane przez geny, które rosły w takim samym tempie, jak wcześniej, podczas gdy białka nie mogły być rozwiązane w sposób ciągły, ale nagle z włączeniem niekodujących sekwencji do genów. Dzięki tej innowacji algorytm wyszukiwania nowych białek szybko zmniejszył złożoność obliczeniową, stając się nieliniowe poprzez spliceosom i jądro, które oddzielają transkrypcję i splicing od tłumaczenia. Stało się to w krytycznym punkcie przejścia fazowego, które to badanie pochodzi z 2,6 miliarda lat temu.
Badanie opublikowane niedawno w PNAS nie tylko odpowiada na podstawowe pytania, ale jest interdyscyplinarne, łączące biologię obliczeniową, biologię ewolucyjną i fizykę. „Może potencjalnie zainteresować szeroką publiczność w wielu dyscyplinach i służyć jako podstawa dla innych grup do odkrywania różnych dróg badawczych, takich jak teoria energii lub informacji” – podkreślił dr Enrique Muro z Instytutu Ewolucji Organizmu i Molekularnej na Uniwersytecie Mainz. Komórka eukariotyczna, najważniejszy wzrost złożoności w historii ewolucji życia na Ziemi, pojawiła się jako przejście fazowe i odblokowała ścieżkę do innych głównych przejść – takich jak wielokomórowość, seksualność i towarzyskość – które ukształtowały życie na naszej planecie, jaką znamy dzisiaj.