Newswise — Białka odgrywają kluczową rolę w praktycznie wszystkich procesach molekularnych zachodzących w komórce. Aby spełniać swoje różnorodne funkcje, muszą wchodzić w interakcje z innymi białkami. W takich interakcjach białko-białko pośredniczą wysoce komplementarne powierzchnie, które zazwyczaj obejmują wiele aminokwasów, które są precyzyjnie rozmieszczone, aby wytworzyć ciasne, specyficzne dopasowanie między dwoma białkami. Jednak stosunkowo niewiele wiadomo o tym, jak takie interakcje powstają podczas ewolucji.

Klasyczna teoria ewolucji sugeruje, że każda nowa cecha biologiczna obejmująca wiele składników (takich jak aminokwasy, które umożliwiają interakcję między białkami) ewoluuje w sposób stopniowy. Zgodnie z tą koncepcją, każda niewielka poprawa funkcjonalna jest napędzana siłą doboru naturalnego, ponieważ wiąże się z nią pewna korzyść. Jednak to, czy interakcje białko-białko również zawsze podążają tą trajektorią, nie było do końca znane.

Korzystając z wysoce interdyscyplinarnego podejścia, międzynarodowy zespół kierowany przez badacza Maxa Plancka Georga Hochberga z Terrestrial Microbiology w Marburgu rzucił teraz nowe światło na to pytanie. Ich badania dostarczają ostatecznych dowodów na to, że wysoce komplementarne i biologicznie istotne interakcje białko-białko mogą ewoluować całkowicie przez przypadek.

Białka współpracują w systemie fotoprotekcji

Zespół badawczy dokonał odkrycia w systemie biochemicznym, którego drobnoustroje używają do przystosowania się do stresujących warunków świetlnych. Cyjanobakterie wykorzystują światło słoneczne do produkcji własnego pożywienia poprzez fotosyntezę. Ponieważ duża ilość światła uszkadza komórkę, cyjanobakterie wykształciły mechanizm zwany fotoprotekcją: jeśli intensywność światła staje się niebezpiecznie wysoka, czujnik natężenia światła o nazwie Orange Carotenoid Protein (OCP) zmienia swój kształt. W tej aktywowanej formie OCP chroni komórkę, przekształcając nadmiar energii świetlnej w nieszkodliwe ciepło. Aby powrócić do swojego pierwotnego stanu, niektóre OCP zależą od drugiego białka: białka odzyskiwania fluorescencji (FRP) wiąże się z aktywowanym OCP1 i silnie przyspiesza jego regenerację.

„Nasze pytanie brzmiało: czy to możliwe, że powierzchnie, które umożliwiają tym dwóm białkom utworzenie kompleksu, wyewoluowały całkowicie przypadkowo, a nie w wyniku bezpośredniego doboru naturalnego?” mówi Georg Hochberg. „Trudność polega na tym, że końcowy wynik obu procesów wygląda tak samo, więc zwykle nie jesteśmy w stanie powiedzieć, dlaczego aminokwasy wymagane do niektórych interakcji wyewoluowały – w wyniku naturalnej selekcji dla interakcji lub przez przypadek”. Aby je rozróżnić, potrzebowalibyśmy wehikułu czasu, aby być świadkiem dokładnego momentu w historii, w którym te mutacje miały miejsce” – wyjaśnia Georg Hochberg.

Na szczęście ostatnie przełomy w biologii molekularnej i obliczeniowej wyposażyły ​​Georga Hochberga i jego zespół w laboratoryjny wehikuł czasu: rekonstrukcję sekwencji przodków. Ponadto system ochrony cyjanobakterii przed światłem, nad którym pracuje od wielu lat grupa Thomasa Friedricha z Technische Universität Berlin, jest idealny do badania ewolucyjnego spotkania dwóch składników białkowych. Wczesne cyjanobakterie nabyły białka FRP z proteobakterii poprzez poziomy transfer genów. Ten ostatni sam w sobie nie miał zdolności fotosyntetycznych i nie posiadał białka OCP.

Aby dowiedzieć się, jak ewoluowała interakcja między OCP1 i FRP, doktorant Niklas Steube wywnioskował o sekwencjach starożytnych OCP i FRP, które istniały miliardy lat temu w przeszłości, a następnie wskrzesił je w laboratorium. Po translacji sekwencji aminokwasowych na DNA wytworzył je za pomocą E coli komórek bakteryjnych, aby móc badać ich właściwości molekularne.

Szczęśliwy zbieg okoliczności

Następnie zespół z Berlina sprawdził, czy starożytne molekuły mogą wchodzić w interakcje. W ten sposób naukowcy mogli odtworzyć, w jaki sposób obaj partnerzy białkowi poznali się nawzajem. „Co zaskakujące, FRP z proteobakterii pasowało już do rodowego OCP cyjanobakterii, jeszcze zanim doszło do transferu genów. Wzajemna kompatybilność FRP i OCP ewoluowała zatem całkowicie niezależnie od siebie u różnych gatunków, mówi Thomas Friedrich. To pozwoliło zespołowi udowodnić, że ich zdolność do interakcji musiała być szczęśliwym przypadkiem: selekcja nie mogłaby w wiarygodny sposób ukształtować powierzchni dwóch białek, aby umożliwić interakcję, gdyby nigdy się nie spotkały. To ostatecznie dowiodło, że takie interakcje mogą ewoluować całkowicie bez bezpośredniej presji selekcyjnej.

„Może się to wydawać niezwykłym zbiegiem okoliczności” — mówi Niklas Steube. „Wyobraźcie sobie, że statek kosmiczny obcych wylądował na Ziemi i odkryliśmy, że zawiera on przedmioty w kształcie wtyczki, które idealnie pasują do gniazd wykonanych przez człowieka. Ale pomimo postrzeganego nieprawdopodobieństwa, takie zbiegi okoliczności mogą być stosunkowo powszechne. Ale w rzeczywistości białka często napotykają dużą liczbę nowych potencjalnych partnerów interakcji, gdy lokalizacja lub wzorce ekspresji zmieniają się w komórce lub gdy nowe białka dostają się do komórki poprzez poziomy transfer genów”. Georg Hochberg dodaje: „Nawet jeśli tylko niewielka część takich spotkań kończy się produktywnie, przypadkowa kompatybilność może być podstawą znacznej części wszystkich interakcji, które obserwujemy obecnie w komórkach. Tak więc, podobnie jak w przypadku związków międzyludzkich, dobre dopasowanie ewolucyjne może być wynikiem przypadkowego spotkania dwóch już kompatybilnych partnerów”.