@SexComb (4385):
1. Mik is azok a fehérje-fehérje "kapcsolatok"?
2. Milyen erősek ezek? Egyforma erősek, vagy vannak köztük erősebbek és gyengébbek? Van ennek valami mértékegysége? (Mondjuk kilogramm terhelhetőség per molnyi fehérje?)
3. Egy erősebb és egy gyengébb kölcsönhatás is ugyanolyan eséllyel alakul ki? Ahhoz, hogy egy fehérjekomplex annyira működőképes legyen, hogy bármilyen kis előnyt jelentsen, milyen erős kölcsönhatás szükséges?
Ha ezekre válaszoltál, onnantól térhetsz át a további kérdésekre:
4. Mennyi ez a valószínűség? Hogyan számítottad ki? Mennyi két különböző fehérje "kapcsolódásának" a valószínűsége? Hogyan számítottad ki?
Ha vetted volna a fáradságot, és utána olvasol egy kicsit Behe Edge of Evolution könyvének, akkor ezekre a kérdésekre magad is megkapod a választ.
Nyilvánvalóan gyerekcipőben vannak ezek a kutatások. A fehérje-fehérje kapcsolatoktól elinduló kutatás logikus, mert a fehérjékből felépülő sejtszervek, illetve többsejtűeknél a szövetek, szervek alapvetően itt kezdenek "összeállni". Mondhatnánk, hogy az élővilág alapvető egységei a fehérjék (itt kezdődnek el a specializált tulajdonságok, azok, amelyeket az összetettségük, és egyéb tulajdonságuk alapján evolúcióval magyarázni nem túl meggyőző. Lehet, mert az íróasztal mellől mindent lehet mondani, de kísérletekkel már sokkal nehezebb alátámasztani. De nézzük a konkrétumokat.
1. A fehérjék alakja igen összetett, és ahhoz, hogy a sejtben molekuláris gépezet jöjjön létre, tökéletesen kell illeszkedniük egymáshoz. Régebben azt gondolták, hogy a legtöbb fehérje önállóan működik, de az utóbbi évtizedekben kiderült, hogy a sejt belsejében a legtöbb esetben féltucatnyi vagy több fehérje csoportot alkotva fejti ki hatását.
Ellentétben a mindennapi életben használt gépekhez, ezeknek a fehérjéknek önmaguktól kell kialakulniuk. Az ember által tervezett megszokott gépalkatrészek feltétlenül egymáshoz illeszkedő formával kell, hogy rendelkezzenek, ezeket emberek (vagy robotok) illesztik össze. A sejtgépezetek fehérje részegységeinek nem csak hogy illeszkedniük kell a partnereikhez, de még önmaguktól is kell összekapcsolódniuk – ami igazán trükkös feladat. Olyan ez, mintha leraknánk egy autó alkatrészeit a padlóra, majd azok hamarosan egymásba kapcsolódva létrehoznák magát az autót.
Ahhoz, hogy a fehérjék a sejtben végrehajtsák ezt az elképesztő bravúrt, sok ezer más fehérjéből is ki kell tudniuk választani a megfelelő kapcsolódó partnereiket.
Egy fehérje általában olyan környezetben tartózkodik, ahol különböző felületű fehérjék fordulnak elő nagy tömegben, sokféle potenciális kapcsolódási lehetőséggel. A legtöbb fehérje egyéni módon választ partnert, bár vannak köztük multispecifikusak is, amelyeknek több (egymással versengő) lehetséges párja van megegyező, illetve egymást átfedő kapcsolódó felületekkel.
A megfelelő kapcsolódáshoz a legminimálisabb szükséglet, hogy a fehérjék a megfelelő irányban sajátos módon illeszkedjenek a partnerükhöz. Két fehérjének nem csak a formája kell, hogy egymáshoz illeszkedjen, de vonzaniuk is kell egymást. Ha csak a felületek illeszthetők össze, de a felszíni elektromos töltések jellemzői nem, akkor nem marad együtt a két felület; azaz lehet, hogy megfelelő módon fordulnak egymás felé, de hamarosan újra szét fognak válni.
2. Az immunrendszer tanulmányozásával sokat tanulhatunk abból, ahogy a fehérjék egymáshoz kapcsolódnak. Az emlősöket bonyolult immunrendszer védi a mikroszkopikus méretű támadóktól. A rendszer egyik sajátossága, hogy elképesztő mennyiségű különböző alakú fehérjét hoz létre, amelyeket antitesteknek hívnak. Ezek végzik az őrjáratot a keringési rendszerben. Habár az antitestek szerkezete általában egyforma, az egyik végükön mindegyikük különbözik a másiktól. Ezt a véget kötőfelszínnek hívják. Ha egy idegen sejt vagy vírus bújik meg a keringési rendszerben, nagy valószínűséggel egy vagy több antitest hozzá fog tapadni kötőfelszíne segítségével, és így megjelöli azt az immunrendszer más egységei számára, hogy el lehessen pusztítani a betolakodót.
Ahhoz, hogy az antitest kötődni tudjon, a kapcsolódó felületnek geometriailag és kémiailag is az idegen sejt felületéhez kell illeszkednie, azaz komplementert kell alkotnia. Korábban, mielőtt a tudósok megértették volna, hogy az immunrendszer milyen kifinomult, egyszerűen azt gondolták, hogy a gerincesekben az antitesteket a természetes kiválasztódás formálta ki a már egyszer behatolt kórokozókkal való találkozás révén, hogy felismerjék azokat. Így az elvárások szerint úgy gondolták, hogy csak olyan antitestek lehetnek a rendszerben, amelyek kötőfelszíne illeszkedik a régebben behatolt vagy jelenleg a szervezetben lévő kórokozók felületéhez. Ám további kísérletekkel kiderítették, hogy amikor a kísérleti állatokba olyan szintetikus kemikáliákat juttattak be, amelyek minden bizonnyal még soha nem léteztek a földön, néhány már létező antitest képes volt ezekhez a mesterséges molekulákhoz is hozzákapcsolódni. Ez azt jelenti, hogy néhány kötőfelszín olyan formák komplementere volt, amelyekkel az állat vagy elődei még soha nem találkozhattak! Hogyan lehetséges ez?
A tudósok számos elképzelést vetettek fel, amelyekről aztán kiderült, hogy helytelenek. Az egyik szerint, amelyet a kétszeres nobel díjas Linus Pauling fejlesztett ki, az antitestek „hozzáalakítják” magukat az idegen molekulákhoz – körbefolyják, majd abban a formában „megfagynak”. Egy másik szerint a gerincesek genomja talán rendkívül nagyszámú antitest génjét hordozza magában, és a jószerencse folytán ezek némelyikének kötőfelszíne a még soha nem látott molekulák felületéhez is illeszkedik. Ez az elmélet már közelebb jár a valósághoz, de még mindig nagyon alábecsülte az immunrendszer eleganciáját. Végül világossá vált, hogy bár az emlősök valóban rendkívül nagy számban gyártanak le antitesteket (sok milliárdot), de korlátozott számban rendelkeznek antitest génekkel (néhány százzal). Kemény laboratóriumi kutatásokkal kimutatták, hogy az a trükk, amivel kevés gén segítségével rendkívül nagy számban készül el különböző antitest, pont ugyanaz, mint amivel csupán ötvenkét kártyából igen sokféle póker leosztást lehet biztosítani. Röviden, az immunsejtek olyan különleges molekuláris gépezeteket tartalmaznak, amelyek a gének szakaszait megkeverik (valamint más trükköket is bevetnek), és így nagyon sok antitest készülhet el rendkívül változatos kapcsolódó felülettel.
Az utóbbi évtizedekben az immunológusok nagyon sokféle szintetikus szert juttattak be kísérleti állatokba, és az állatok majdnem mindig biztosan rendelkeztek olyan antitestekkel, amelyek reagáltak ezekre. Azt, hogy az immunrendszer ilyen képességre szert tehetett, a matematikus Alan Perelson a „forma-tér” (5) fogalmának bevezetésével igyekezett megmagyarázni. A forma-tér elképzelhető úgy, mint a fehérje-fehérje kötőfelszínekkel durván megegyező méretű fizikai tárgyak egyfajta könyvtára. A tárgyak változatos módon rendelkeznek bemélyedésekkel, kitüremkedésekkel, finom vagy durva felületekkel. Perelson úgy számolt, hogy az immunrendszer olyan nagy mennyiségben gyártott le egymástól eltérő antitest kapcsolódó felületet, hogy lényegében minden lehetséges forma létezhessen, és így legyen legalább egy antitest, ami elég jól összekapcsolódhat egy behatoló baktérium vagy vírus felületéhez még akkor is, ha a két molekula még soha nem találkozott egymással. A különböző plasztik formák raktárának analógiáját alkalmazva ez azt jelenti, hogy valamely antitest és valamely szintetikus molekula közötti egyezés nem volt speciálisan megtervezve (habár az okos, speciális mechanizmus, amelyik lehetővé teszi az immunrendszer számára, hogy a sokféle antitestet legyártsa, nagyon gyanús, hogy valószínűleg tervezett). Az antitestek univerzuma minden gyakorlati szempontból végtelen, ami eleve kizárja a tervezettségre következtetést az ilyen fajta kapcsolódások esetében. Ám az immunrendszer tanulmányozásából nyert tudásunk felbecsülhetetlenül értékes, hogy egy másik területen az evolúció határait kijelölhessük. Vajon az evolúció és az immunrendszer működése analóg módon működik-e, és automatikusan, irányítás nélkül variálva a fehérjéket mindent lehetővé válik-e?
A Perelson-féle fehérje forma-térben a tárgyak többdimenziósak – abban az értelemben, hogy a térbeli formájukon túl más térbeli elrendezés is lényeges szerepet játszik a működésükben. Ezt az extra „dimenziót”, ami felelős a különböző kémiai tulajdonságokért – a pozitív töltésekért, az olajos, víztaszító szakaszokért és még egyebekért a következő modellel lehet kezelhetővé tenni. Képzeljünk el egy hatalmas raktárat, melyben összetett formájú tárgyak vannak, mindegyikbe féltucatnyi gyenge rúdmágnes beszúrva itt-ott úgy, hogy csak a mágnes csúcsa áll ki a felületből. A mágnesek pozitív oldala vagy befelé, vagy kifelé néz, tehát a csúcsok vagy vonzzák vagy taszítják egymást. A forma-tér egyik extra dimenziója felfogható a mágnesek elhelyezkedését és irányítottságát meghatározó térnek. A forma-tér tehát nem csak a tárgyak fizikai formáját, hanem az összetapadásuk lehetőségeit is számba veszi. Tegyük fel, hogy a forma-tér könyvtárból sok ezer tárgyat berakunk egy medencébe, aminek minden részét bejárja a vízáramlat, és a célunk, hogy mindegyikük találjon magának egy ideális társat. Ezzel az elrendezéssel modelleztük a sejtben lezajló folyamatokat.
A kapcsolódásnak nem kell véglegesnek lennie. Létezhet néhány olyan merev tárgy, amelyek felülete elég jól kiegészíti egymást, és a mágneseik is jól illeszkednek. Így elég nagy erővel összetapadhatnak, de időnként egy erősebb vízáram, vagy nagyobb lökés hatására szétszakadhatnak. Ezek sorsa az lesz, hogy egy ideig ide-oda áramlanak, majd újra összetapadnak. Átlagban talán fele időben tartózkodnak összetapadva és külön is. Lehet aztán egy olyan pár is, amelyik úgy illeszkedik egymáshoz, mint a kéz a kesztyűbe, és minden mágnes tökéletesen sorakozik a helyén. Ezek aztán olyan szorosan összetapadnak, hogy nagyon ritkán esnek szét, így az idő 99%-ában együtt maradnak.
Az immunrendszer, illetve a forma-tér tanulságait levonva adaptálhatjuk az eredményeket arra a problémára, amivel a véletlenszerű mutáció szembesül, ha új fehérje-fehérje kapcsolatot kellene létrehoznia a sejtben. Az immunrendszer arra van kiélezve, hogy ezt a feladatot megoldja. Ám mi történik, ha kiveszed azt a folyamatot, ami az ilyen változatos műanyag tárgyakat létrehozta és beledobta a medencébe? Mi a helyzet, ha régebbi molekulák ritkán előforduló mutációja okozta behorpadása vagy kitüremkedése kell, hogy létrehozzon új molekulákat, és azokból új kapcsolatokat?
A következő akadállyal kell szembesülnie a darwini evolúciónak: A sejtben a legtöbb fehérje féltucatnyi vagy több egymáshoz kapcsolódott láncként működik. A hemoglobin csak kétfajta egymáshoz tapadt, összetett aminosav láncot tartalmaz (alfát és bétát), de ez aránylag egyszerű eset. A legtöbb sejtfehérje hat vagy több különböző aminosav lánccal rendelkezik. Tehát, hacsak az összetevők nem voltak már jelen az élet keletkezésének időszakában, valamikor menet közben kellett, hogy a sejtben úszkáló fehérjék egyszer úgy változzanak meg, ami révén összekapcsolódhatnak egymással. Könnyű feladat-e ez, hogy a mutációk egyedül létrehozzák a ma létező összes "új" fehérje-fehérje kapcsolatokat?
Ismét tegyük fel a kérdést: Mitől függ, milyen geometriai és mágneses elrendezés biztosítja, hogy az életfunkciókhoz már megfelelően erős kapcsolatok jöjjenek létre? Hogyan mérjük a "szükséges" erőt?
Greg Winter és munkatársai praktikusabb oldalról láttak neki a feladatnak. Azt a kérdést tették fel, hogy:
Hány fehérje kötőfelület kell legyen a könyvtárban, hogy egy adott fehérjéhez mindenképpen találjunk egy megfelelő párt? Megfelelőnek azt a párt nevezzük, amelyik "bevethető" az ismert sejtfunkciók közé, és képes ellátni a rá kiszabott feladatot.
Ők mesterséges antitesteket fejlesszenek ki, amivel orvosi kutatások és kezelések során eszközként dolgozhattak. Egy sor írásukban foglalkoztak azzal a kérdéssel is, hogy mekkora forma-tér könyvtárra lenne szükség, ha szeretnénk jó eséllyel legalább egy olyan antitestet kapni, amelyik a kötőfelületével eléggé egyéni módon tudna kapcsolódni egy tetszőleges teszt-fehérjéhez. Okos laboratóriumi módszereket alkalmaztak, hogy olyan antitesteket alkossanak meg, amelyeken a kötőfelületek aminosavjai véletlenszerűen, és nagyon nagy számban tudtak különböző kombinációkat alkotni (elsőre úgy százmillió félét).
Aztán elkezdtek pecázni. Különböző molekulákat használtak fel – más fehérjéket, vagy egyéb molekulákat – hogy horogként használva őket megpróbáljanak kihalászni az antitestek óceánjából egyet, amelyik épp hozzátapadt a horoghoz. Azt találták, hogy az „uszodában” félidőben kapcsolódó tárgyakhoz hasonlóan, csak közepes erővel tudtak a kiválasztott antitestek hozzákötődni a csalihoz. Évek során további trükkök segítségével az antitest könyvtár méretét százmillióról száztrillióra emelték. Azt tapasztalták, hogy a kapcsolatok ereje arányosan növekszik a könyvtár méretével, így egy elég nagy könyvtárban a legjobban összetapadó molekulák már nagyon nagy erővel ragadták meg a csalit, hasonlóan ahhoz, amikor az uszodában két test az idő 99%-ában együtt maradt. Az eredmény – minél nagyobb a könyvtár, annál jobb a kapcsolat – igen jól egyezik azzal, amit intuitíve elvárhattunk. Hiszen ha egy kisebb könyvtárban véletlenül találunk egy formát, ami már elég jól kapcsolódik, akkor van esély arra, hogy egy nagyobb könyvtár esetében olyan formát is találunk, ami még pontosabban illeszkedik a csalihoz.
Winter laboratóriumi munkájának általános eredménye következetesen igazolta, hogy: ha a cél egy bizonyos fehérje közepes erővel való kapcsolódása egy másikhoz, mintegy tíztől százmillió kapcsolódó felületet kell kipróbálni.
Az eredmények óvatos megítélése, mielőtt az alapvető evolúciós kérdésre alkalmaznánk:
A kísérleti körülmények úgy lettek meghatározva, hogy a véletlenszerű mutációk számára valóban szükséges könyvtár méretét alábecsüljük. A kísérletek során ugyanis a mutációkat tudatosan szűkítették le az aminosavak olyan összefüggő szakaszára, amelyek a fehérje felszínén közel voltak egymáshoz, hogy a lehető legtöbb új kötőfelület méretű szakaszt létre tudják hozni. Ha a kísérletben a változásokat nem összpontosítottak volna a fehérje egy összefüggő szakaszára, akkor a legtöbb közülük olyan szétszórva történt volna meg, hogy nem tudtak volna segíteni egymásnak a kapcsolódás érdekében. Ilyen körülmények között sokkal több mutációt kellett volna végigpróbálni (átlagban), hogy megtaláljuk azt az egyet, amelynek hatására a mutáns már egyéni módon illeszkedik a cél-fehérjéhez. A kísérletek eredményeket a mi kérdésünkre számítási alapként elfogadva még mindig igen optimistán kezeltük azt a nehézséget, amit egy forma-térben való kutakodás jelent.
A forma-térből származó tapasztalataink alapján ahhoz, hogy az egyik fehérje hozzá tudjon kapcsolódni a másikhoz, elvárható lenne, hogy tíz milliónál jóval több különböző mutáns szakaszt kellene kipróbálni, mielőtt szerencsés módon akár csak közepes erővel összekapcsolódni képes párra bukkannánk – ami aztán lehetővé tenné, hogy ezek legalább félidőben együtt maradjanak. (Valószínűleg ez a minimum szükséges erő, aminek már kimutatható biológiai hatása lehet.)
Számoljuk ki közelítően, hány élőlényre lenne szükség átlagban, ha egy új fehérje-fehérje kötőfelületre akarunk bukkanni.
A fehérjék változtatásának legegyszerűbb módja a pontmutáció, amikor egy aminosav cserélődik ki a fehérjéket felépítő húszféle aminosav közül. Azaz ha csak öt vagy hat pozíció változik a megfelelő gyökökre – azzá, amelyik lehetővé teszi két fehérje számára az összekapcsolódást – akkor az ilyen esemény még egész jó eséllyel bekövetkezik. A kombinatorika szabálya szerint huszat szorozva önmagával öt vagy hat alkalommal az eredmény 205 vagy 206, azaz háromtól hatvan millió – ami elég közel esik a kísérletileg szükséges tíztől százmillió próbálkozáshoz.
Tehát úgy kaphatunk egy új kötőfelületet, ha a megfelelő módon öt vagy hat aminosavat kicserélünk egy összefüggő területen. Ez az igen durva megközelítés egybevág a fehérjék szerkezetének tanulmányozásának tapasztalataival.
Öt vagy hat aminosav csere azt jelenti, hogy a cél eléréséhez öt vagy hat koherens mutációs lépésre van szükség – pusztán ahhoz, hogy két fehérje egymáshoz tudjon kapcsolódni.
Feltehetjük hát, hogy az új kötőfelszínt létrehozó öt vagy hat szükséges csere egyharmada semleges, így ezek már azelőtt gond nélkül létrejöhettek független lépésként, hogy a kulcs-változások bekövetkeznének. A semleges változásokat még meg is kell találni valahogy, ami szintén nehézséget okozhat, de ismét a konzervatív számítás felé tévedünk, ha az összes átlagosan szükséges változások számából levonjuk a semleges változások átlagos számát. Ezek után marad még három vagy négy olyan aminosav változás, amelyek külön-külön bajt okoznának, tehát ezeknek egy időben kell megvalósulniuk a kérdéses darwini folyamat szempontjából. Három vagy négy egyidejű aminosav mutáció olyan, mintha az evolúciós toronylépcsőházban át kellene ugrani két vagy három lépcsőfokot.
A feladat ugyan nem tűnik túl nagynak, mégis legalább ilyen, vagy még két másik kisebb darwini ugrásra volt szükség ahhoz, hogy a malária klorokin rezisztenciára tegyen szert.
Egyetlen új fehérje-fehérje kötőfelület létrehozása ugyanolyan vagy még nagyobb nehézségbe ütközik, mint a malária parazita számára klorokin rezisztenciát kifejleszteni - ennek az esélye egy a 10 (a 20-on) születésből.
Vajon egy új, hasznos tulajdonság eléréséhez az evolúciónak hány fehérjét kellett összekapcsolnia minimálisan ahhoz, hogy a természetes kiválasztódás már "értékelje" az újdonságot, és megtartsa azt?
Ezen a ponton különböző modelleket lehet kidolgozni, és ellenőrizni - talán eleinte szimulátorokkal, majd esetleg okos labor kísérletekkel. A lényeg, hogy van egy olyan irány, ahonnan esetleg megbecsülhetjük az eddig elméletileg felépített evolúció képességeit, vagy más elven alapuló modelleket vegyünk górcső alá.
Behe ezen a ponton logikusnak tartja, hogy a malária, az E.coli, a HIV vírus és más, igen szapora és jól tanulmányozott élőlények evolúciós változásait tekintsük kiinduló alapnak - és egyúttal elismeri, hogy ebből a szempontból még "akármi" is lehet, mert kevés adat áll a rendelkezésre, hogy biztos következtetéseket vonjunk le, és ítéljünk meg elméleteket. Ugyanakkor, ha azt az elvet vesszük figyelembe, hogy a rendelkezésre álló adatok MIT támasztanak alá, azt kell mondanunk, hogy az egy időben egy új fehérje-fehérje kapcsolat kialakulását igen, míg többet nem. Ami tehát "belefér" egy ilyen molekuláris változás okozta fejlődésbe, azt joggal magyarázhatjuk evolúciós elmélettel, ami nem, arra joggal kereshetünk más modellt. (Azaz teljesül az Occam borotvája elv, de úgy, hogy helyt ad evolúción kívül is más elméletnek.)