Studie utfordrer evolusjonært forhold mellom flagellen og type III sekretorisk system (T3SS)
Av Casey Luskin; 14. mai 2021. Oversatt herfra

I en tidlig Intelligent Design (ID) bok, Darwins Black Box, hevdet biokjemiker Michael Behe at bakterie flagellen er ikke-reduserbart sammensatt. I tilfelle du ikke har fulgt ID, er flagellen en mikromolekylær maskin-en propellmontering drevet av en roterende motor som driver bakterier mot mat eller et gjestfri omgivelse.
Det er forskjellige typer flageller, men alle fungerer som en roterende motor laget av mennesker, slik som i noen bil- og båtmotorer. Selv ikke-ID-forskere undrer seg over kompleksiteten til disse molekylære maskinene. En ny anmeldelse i Journal of the American Chemical Society, "Molekylære pumper og motorer," -lenke, uttaler "Biomolekylære pumper og motorer er, som alltid er tilfelle i naturen, komplekse og utsøkt utformede." Det er viktig siden "biomolekylære pumper og motorer er fremtredende i alle levende systemer og er ansvarlige for alt fra DNA -transkripsjon og membrantransport til muskel -utvidelse og -sammentrekning." Gjennomgangen sammenligner "menneskeskapte pumper og motorer" med "deres biologiske søskenbarn" og bemerker at menneskelig teknologi er langt dårligere enn biologiske maskiner: "De kunstige molekylære pumper og motorer som hittil er utviklet av forskere er primitive sammenlignet med deres naturlige kolleger."

Bilde 1. Prinsippskisse av bakterieflagell

Et ikke-reduserbart sammensatt system
Behe og likesinnede forskere hevder at flagellen krever et kjerne-antall delsystemer og underkomponenter for å fungere, noe som gjør den ikke-reduserbar komplisert og motstandsdyktig mot forklaring av en trinnvis mutasjonsvei. Men ikke alle er enige.
Kritikere av ID har ofte hevdet at en annen molekylær maskin, Type III Secretory System (T3SS), kan ha tjent som en forløper for flagellen. Dette argumentet tok til og med veien inn i 2005 Kitzmiller v. Dover -avgjørelsen. Biolog og ID-kritiske Kenneth Miller vitnet om at "de 10 proteinene i Type III-systemet er nesten en presis match for de tilsvarende 10 proteiner i basen av bakterien flagellen" og derved kan være en "forløper" til flagellum. Etter Miller avgjorde dommer Jones at det er "en mulig forløper for bakterie-flagellen, et delsystem som var fullt funksjonelt, nemlig type- III sekretorisk system."

Bilde 2. Sml. av T3SS med bakterieflagell

Ikke hvordan vitenskap drives
Vitenskap avgjøres imidlertid ikke i rettsavgjørelser, og juridiske erklæringer om slike vitenskapelige spørsmål har betydelig redusert verdi, når nye funn sår tvil om en domstols vitenskapelige påstander. For eksempel sammenlignet en fersk artikkel publisert i Cell av Jiaxing Tan et al., "Strukturelt grunnlag for montering og dreiemomentoverføring av den bakterielle flagellarmotoren," -lenke strukturen til flagellen med T3SS og fant at de har distinkte forskjeller, som utfordrer et slikt evolusjonært forhold:

-Det er blitt foreslått at bakterieflagellen er den evolusjonære stamfaren til T3SS. I motsetning til T3SS -basallegemet, som er festet i bakteriemembraner, roterer MS -ringen, C -ringen og stangen til den flagellære motoren med høye hastigheter når de fungerer. ... Den generelle strukturen til [flagellar] motor-opphengs-komplekset, en periplasmatisk binding. ... Strukturen til LP-ringen er betydelig forskjellig fra den C15-symmetriske strukturen til den ytre membranbundne sekretinet til bakterien T3SSS. ...

-Selv om flagellen har blitt foreslått å være den evolusjonære stamfaren til T3SSS, er strukturen til flagellarmotoren betydelig forskjellig fra den for T3SS -basallegemet. Stangen i basallegemet til Salmonella T3SS består av to proteiner, PRGJ og PRGI, og vedtar en relativt enkel spiralformet struktur. I motsetning til de tette kontaktene til T3SS-stangen med sekretinkanalen og den indre membranringen, har den flagellære stangen få kontakter med LP-ringen for å lette dens høyhastighetsrotasjon og dreiemomentoverføring. I tillegg, i motsetning til den C24-symmetriske indre membranringen, samlet av PRGH og PRGK i Salmonella T3SS, er MS-ringen til den flagellære motoren sammensatt av 34 FLIF-underenheter med blandede indre symmetrier. Derfor har den flagellære motoren utviklet spesielle strukturelle elementer for bakteriell bevegelighet.

Bilde 3. Prinsippskisse av T3SS

Disse forskjellene utfordrer den vanlige evolusjonære påstanden om at T3SS kunne ha "samvirket" for å bygge en flagell. Hvis du faktisk leser passasjen ovenfor, står det at "flagellen er blitt foreslått å være den evolusjonære stamfaren til T3SSS," ikke at T3SS var en "stamfar" til flagellen. Det er gode grunner til at de ikke hevdet at T3SS var stamfar til flagellen, eller at de to er avledet fra en lignende stamfar, som jeg forklarte i 2015:
-Det er tvilsomt at T3SS i det hele tatt er nyttig for å forklare opprinnelsen til flagellen. Injeksjonen (T3SS) finnes i en liten undergruppe av gramnegative bakterier, som har en symbiotisk eller parasittisk assosiasjon til eukaryoter. Siden eukaryoter utviklet seg over en milliard år etter bakterier, antyder dette at injeksjonen (T3SS) oppsto etter eukaryoter. Flagellen finnes imidlertid på tvers av bakterier, og behovet for kjemotaksis og bevegelighet (dvs. ved bruk av flagellen for å finne mat) går foran behovet for parasittisme. Med andre ord, forventer vi at flagellen kom lenge før injeksjonen (T3SS). Og gitt den smale fordelingen av injeksjonsbærende bakterier, og den veldig brede fordelingen av bakterier med flagell, antyder den rasjonelle forklaring at flagellen predater injeksjonen (T3SS) langt forut, i stedet for motsatt. Som en artikkel observerer:
"Basert på ujevn taksonomisk fordeling av T3SS sammenlignet med flagellen, utbredt i bakterielle phyla, foreslo tidligere fylogenetiske analyser at T3SS stammet fra en flagellar stamfar og spredt gjennom laterale genoverføringer."
(Sophie S. Abby og Eduardo P. C. Rocha, "En evolusjonsanalyse av Type III Secresjonssystem" (2012). -lenke)

På samme måte rapporterte New Scientist -lenke:
"Et faktum til fordel for flagell-først synet, er at bakterier ville ha trengt fremdrift før de trengte T3SSS, som brukes til å angripe celler som utviklet seg senere enn bakterier. Flageller finnes også i et mer mangfoldig utvalg av bakteriearter enn T3SSS. "Den mest naturlige forklaringen er at T3SS oppsto senere," sier biokjemiker Howard Ochman ved University of Arizona i Tucson. "
Nå, under normal evolusjonær resonnement, vil man ta denne typen fylogenetiske bevis for å indikere at flagellen kom lenge foran T3SS, og at T3SS på ingen måte er en forløper til (eller nært beslektet med en forløper) til flagellen.

Bilde 4. Bakterier kan bevege seg

Den siste bakterie-felles stamfaren
En ny fylogenetisk studie i vitenskap, "En forankret fylogeni løser tidlig bakteriell evolusjon," foreslår faktisk at den siste bakterie-fellesstamfar (LCBA) var "en frittlevende flagell, stavformet dobbeltmembran organisme." Med andre ord antyder den utbredte naturen til flagellære gener på tvers av forskjellige typer bakterier, at den er eldgammel, kanskje til og med til stede i roten til alle bakterier. Som artikkelen forklarer:
-Det utledede forfedre-gensettet for LBCA inkluderer de fleste komponenter i den moderne bakterie transkripsjon, oversettelse og DNA -replikasjonssystemer. Dette gensettet inkluderer også et FTSZ-basert celledelingsmaskineri og veier for signaloverføring, membrantransport og sekresjon. Videre identifiserte vi proteiner involvert i bakteriell fosfolipidbiosyntese, noe som antydet at LBCA hadde ester-lipidmembraner av bakterietypen. Vi identifiserte også de fleste av proteinene som kreves for flageller og pili -syntese og de for quorum-sensing, noe som antydet at LBCA var bevegelig. Gitt at bakteriegener typisk opprettholdes av sterkt rensende seleksjon, innebærer disse funnene at LBCA levde i et miljø der spredning, kjemotaksis og overflatefesting var fordelaktig.

På grunn av denne typen fylogenetiske argumenter for den utbredte, eldgamle naturen til flagellen, konkluderte en 2017 -artikkel i Nature Microbiology at om noe, er flagellen stamfar for T3SS, ikke omvendt -lenke:
-Filogenomiske analyser indikerer at T3SSS utviklet seg fra flagellen og skaffet seg den ytre membransekretinen flere ganger under evolusjonen, og argumenterte for at forfedres T3SSS samlet seg fra innsiden-ut på en lignende måte som flagellen, som ikke har sekretin. … Filogenetisk analyse av kjerne T3SS -proteiner avslørte at de flagellære T3SS utviklet seg først til å transportere ekstracellulære komponenter i flagellen for montering. NF-T3SSS divergerte fra de flagellare T3SS, og mistet opprinnelig flagellumspesifikke proteiner (spesielt strukturelle proteiner som er relatert til opphenget og stangen), men til å oppnå henholdsvis den indre membranringen og indre stangkomponenter SCTD og SCTI.

Men nå har denne nye artikkelen i Cell til og med utfordret synet om at T3SS er avstammet fra flagellum, på grunn av betydelige forskjeller mellom de to strukturene.

Nok en utfordring fra kritikerne
Et annet forslag fra evolusjonskritikere av ID, er at den flagellære motoren deler strukturell homologi med Rotary -motoren som er funnet i ATP -syntasemolekylmaskinen. Imidlertid finner den nye Cell-artikikelen også at denne sammenligningen er mistenklig, da det er viktige strukturelle og funksjonelle forskjeller mellom flagellarmotor- og ATP -syntasemaskiner:
-Flagellarmotoren er en roterende motor for overføring av torsjonskraft for å muliggjøre bakteriell bevegelighet. I kontrast overfører rotasjonen av F/V-type ATPaser, en annen type naturlig rotasjonsmaskineri, dreiemomentkraft for å indusere konformasjons-endringer av det enzymatiske domenet for ATP-syntese eller hydrolyse. Momentoverføringsmekanismen fra den roterende ringstrukturen til den aksiale stangen i den flagellære motoren er forskjellig fra den som brukes av F/V-ATPaser, der den membranbundne roterende ringen danner et vinkelrett overflatefesting med den sentrale stilken, via saltbroer for Plan-til-aksial torsjonskraftoverføring. Dermed presenterer dette arbeidet det strukturelle grunnlaget for montering og momentoverføring, av den flagellære motoren og indikerer mangfoldet av momentoverføringsmekanismer for naturlige roterende proteinmaskiner.

Bilde 5. Prinsippskisse av ATP-turbin

Disse funnene etterlater tilsynelatende store åpne spørsmål om det evolusjonære forholdet til flagellen og T3SS, samt andre molekylære maskiner. I det minste ser det ikke lenger ut som mulig, at T3SS er "en mulig forløper for bakterie-flagellen."

Casey Luskin; Assisterende direktør, Center for Science and Culture
Casey Luskin er geolog og advokat med grader i vitenskap og jus, som gir ham ekspertise både i de vitenskapelige og juridiske dimensjonene i debatt om evolusjonen. Han fikk sin doktorgrad i geologi fra University of Johannesburg, og BS og MS grader i geologi fra University of California, San Diego, hvor han studerte evolusjon mye på både hovedfags- og lavere nivå. Hans jusgrad er fra University of San Diego, hvor han fokuserte studiene på 1.amendment, utdannings- og miljø-lover.

Bilde 6. Casey Luskin (ung)

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund