[Tuflya07]

Древнейшие белки любили жару и кислую среду



В результате эксперимента по реконструкции древнейших аналогов современных ферментов учёные обнаружили, что предки современных белков были адаптированы к условиям, сильно отличающимся от нынешних. Они были более термоустойчивыми и предпочитали кислую среду.



Структура белка с дисульфидными связями (жёлтые перемычки). Эти связи держат всю молекулу, как скрепки или булавки, не давая белку развернуться и потерять биологическую активность. (Фото Manuel C. / Dr. Peitsch.)



Если верить результатам, полученным командой исследователей из Колумбийского университета (США), древнейшие ферменты «жили и работали» при гораздо более высокой температуре и в куда более кислой среде. А значит, и жизнь на Земле не обязательно терпеливо дожидалась подходящих условий, а могла образоваться тогда, когда «первичный бульон» ещё не совсем остыл и был чрезвычайно закисленным.

Хулио Эрнандес с коллегами предприняли попытку реконструкции древнего тиоредоксина — фермента, который разрывает и восстанавливает дисульфидные связи в других белках, способствуя поддержанию ими правильной третичной структуры. Сейчас этот фермент есть практически у всех групп живых организмов. Исследователи сконструировали семь видов тиоредоксинов трёх доменов жизни — архей, бактерий и эукариот, которые могли быть на планете где-то от одного до четырёх миллиардов лет назад.

Для этого своеобразного «воскрешения» исследователи сначала построили фамильное древо всех известных на сегодня разновидностей тиоредоксинов, чтобы предсказать, в каком направлении развивался белок. Потом они создали наиболее вероятную последовательность тиоредоксинов-«предков». Наконец, синтезированный ген древнейшего тиоредоксина вставлялся в кишечную палочку Escherichia coli, а затем наработанный бактерией белок очищался биохимическими методами.

Всякий фермент «предпочитает» работать при некоторых оптимальных условиях — наиболее подходящих значениях температуры и рН. Обычно такие значения называют физиологическими. Ферменты млекопитающих, например, эффективнее всего выполняют химические реакции при температуре тела животного и нейтральном рН. Конечно, есть исключения вроде пищеварительных ферментов, которые работают в кислой или щелочной среде, или белков бактерий, живущих в экстремальных условиях — например, в горячих источниках. Но нынешние тиоредоксины не относятся к «экстремалам». И всё же, как оказалось, их далёкие предки эффективно трудились в совсем других условиях. По словам исследователей, древние ферменты могли расщеплять только простые молекулы, поэтому сейчас учёным приходилось облегчать полученным «белковым ископаемым» задачу, растягивая для них белок-субстрат на атомно-силовом микроскопе для более полного доступа к дисульфидным связям белка. Но при этом все древние тиоредоксины оказались «любителями» более низких рН (то есть более кислой среды), чем их современные аналоги. С другой стороны, при проверке этих белков на термостабильность (когда наблюдают изменения в структуре белка при повышении или понижении температуры) выяснилось, что древние тиоредоксины остаются стабильными даже тогда, когда современные белки уже теряют работоспособность. В среднем температурный запас прочности у «древних» ферментов оказался на 32 ˚C выше, чем у нынешних.

Статья с описанием опытов по «воскрешению» древних ферментов опубликована в журнале Nature Structural & Molecular Biology.

Полученные данные говорят о том, что жизнь на Земле могла возникнуть в условиях, довольно сильно отличающихся от современных. Потом ей пришлось постепенно адаптироваться к похолоданию и снижению кислотности окружающей среды. Можно предположить, что у живых организмов есть такие запасы прочности (в эволюционном смысле), о которых мы даже не подозреваем. С другой стороны, такая палеоэнзимология позволяет не только судить о путях развития жизни, но и воссоздавать глобальные геоклиматические условия, которые сопровождали жизнь на разных этапах её развития. Зная структуру и функционирование белков миллиарды лет назад, можно понять, в каких условиях приходилось существовать биологическим молекулам.

Подготовлено по материалам PhysOrg.