Å modifisere et protein

(fra boka 'Heretic', sl. av kap. 10; M. Leisola)

Tidligere biolog ved Leigh Universitet, Michael Behe, som kommer ut med ny bok: 'Darwin Devolves' i febr. 2019, har tidligere jobbet med å modifisere proteiner. Han undersøkte mutasjoners fremdrift i store biologiske populasjoner over tiår, og anvendte så matematikk for å ekstrapolere maksimum antall av generasjoner og mutasjoner som kan ha inntruffet i hele livets historie på jorda. Han gjorde det for å kunne komme frem til et empirisk rigorøst estimat for det han kalte 'evolusjonens grense' (the edge of evolution). Det innebærer maksimum antall av samtidige, koordinerte, tilfeldige mutasjoner som ikke-styrt evolusjon er i stand til å håndtere på hvilket som helst punkt i livet. M.a.o. hva er det største spranget evolusjon kan ta i ett enkelt mutasjons-hopp? Er det to samtidige og koordinerte mutasjoner? Tre? Ti eller femti?

Behe studerte i den sammenheng malaria i naturen. I de siste 60 år regner man med det har eksistert 6* (10opphøyd i 21) malaria parasitt-celler, og i løpet av den tiden har det vært noen interessante malaria-mutasjoner. F.eks. utviklet malaria-parasitten resistans til maralaria-legemiddelet kloroquine. På den annen side har malaria blitt satt i knipe gjennom tusener av år, gjennom sigd-celle mutasjonen i mennesket. Om en person arver sigd-celle mutasjonen fra begge foreldrene, blir han fryktelig syk, men om han arver det fra én av dem, er han frisk og resistent mot malaria. Til tross for det enorme antall av malaria-parasitter, og de mange generasjoner av det gjennom tusener av år, har ikke parasitten vært i stand til å finne en vei utenom sigdcelle-mutasjonen. Malaria har heller ikke utviklet evnen til å holde ut i kjøligere klima, selv om den har hatt alle muligheter til å utvikle denne evnen gjennom de lange periodene av dens eksistens.

Behe studerte så naturen ved tilpassede mutasjoner som malaria suksessrikt utøvde, og spesielt hva disse genetisk besto i. Han så også på hva som begrenset malaria. Han sammenlignet så disse funnene med hva som var samlet fra studier av HIV, E.coli og andre slike bakterier, og ekstrapolerte til tidsskalaer over milliarder av år. Fra alt dette, var Behe i stand til å sette et fast tall på hva empirisk bevis sier er 'evolusjonens grense':
Den umiddelbare, mest viktige implikasjonen er at komplekser av flere enn to ulike bindings-steder -noen som krever tre eller flere ulike slag proteiner, er utenfor evolusjonens grense, i forhold til hva som er rimelig å forvente at darwinistisk evolusjon å ha fullført i hele livets historie, gjennom milliarder av år i verdens historie. Grunnen er rett fram: Sannsynligheten for å få to uavhengige ting til å skje, er produktet av å få hver ting riktig, i seg selv. Ved ellers like forhold, vil sannsynligheten for å utvikle to bindingssteder i et protein-kompleks, vil være produktet av sannsynligheten for å utvikle ett: (10 opphøyd i 20) * (10 opphøyd i 20), som er (10 opphøyd i 40). Det har sannsynligvis eksistert færre enn (10 opphøyd i 40) celler gjennom hele livets milliarder av års historie, så oddsene er mot at en slik begivenhet skal ha funnet sted én eneste gang i hele livets historie.
Slik å trekke den evolusjonære grensen ved komplekser av tre slike ulike slag cellulære proteiner, innebærer at den store majoriteten av funksjonelle cellulære trekk ligger utenfor den linjen. Ikke bare de mest intrikate som cilium og flagellen. De fleste proteiner i cellen arbeider i team på et halvt dusin eller flere. (28) Leisola er av samme oppfatning, og merket seg reaksjonene etter Behes bok om emnet. Reaksjonene besto av feillesninger og stråmann-karakteriseringer og var ikke slik forsvarere av en teori som har bevismajoriteten på sin side, ville ha oppført seg. Det var oppførselen til noen som forsvarte en teori i krise.

Side-funksjoner og sandkasser
I sin leting etter tilforlatelige darwinistiske mekanismer, har det vært foreslått at ny enzym-aktivitet er dannet slik at veike side-funksjoner blir forbedret ved tilfeldige mutasjoner. (29) En mutasjon som ikke ødelegger hovedfunksjonen ved et enzym, med beskjedent forbedrer en side-aktivitet, kunne i prinsippet representere noe naturen ville selektere for. Disse gradvise, små endringene kunne så fungere som 'spaser-stener' på veien til større og større forbedringer, og slik unngå behovet for et plutselig sprang som innebar en gruppe av samtidige mutasjoner. Det er så klart mulig i prinsippet, men det er noen problemer med ideen: i) Forbedrede bi-effekter kommer ved prisen til økt energi-forbruk. Et trent forskningsteam som overvåkte et enzym eksperiment, kunne overstyre naturen og selektere for veike side-effekter, men det innebærer tilfeller av intelligent design, og ikke naturlig seleksjon. ii) Selv om det dannes små forbedringer i bi-funksjoner, så er det bare eksisterende funksjoner som blir styrket, mens basis protein forblir de samme. En artikkel av Axe og Gauger understreker dette poenget: Mutasjoner og seleksjon kan forbedre allerede eksisterende funksjoner, men ikke skape nytt design. (31)

Det har også vært foreslått at nye proteiner er dannet ved nøytrale eller nesten nøytrale mutasjoner. Det er mer enn ett valg for hvor disse nøytrale mutasjonene kunne inntreffe i genomet. F.eks. vil noen punktmutasjoner etterlate hovedfunksjonen intakt, og ikke påvirke fitness positivt eller negativt. En mutasjon kan også duplisere et strekk av genetisk informasjon, slik at påfølgende mutasjoner kan inntreffe i dette strekket, uten å behøve å være funksjonelle hvert eneste steg. Tilfeldige mutasjoner kan oppføre seg risiko-frie eller nøytrale eksperimenter i den dupliserte sekvensen, og med noe flaks langs veien, kan disse risiko-frie mutasjonene føre til noe reproduktivt nyttig, som gjør det mer sannsynlig å få disse videreformidlet og spredt.
Selv om denne ideen ved akkumulerte mutasjoner i en tilpasset nøytral sone, før den returnerer til 'survival-of-the-fittest' arenaen, har vakt begeistring i visse kretser av evolusjonist-leiren, så er forslaget i ytterste forstand problematisk av flg. to grunner: 1) Det forklarer ikke hvor det funksjonelle genet kom fra, siden startpunktet innebar et fungerende protein, og ikke bygger det opp fra bunnen av. 2) Et duplisert gen kan endres bare innen trange grenser, og proteiner som helhet står overfor de samme begrensninger.

Arbeid av Fr. Blanco ved European Molecular Biology Laboratory støtter dette andre punktet. (32) De studerte sekvensrommet mellom to ulike små proteiner som hadde ulike foldinger. Det ene var et 62 aminosyrers-protein som folder seg lik et ortogonalt beta-lags smørbrød og et annet var et 57 aminosyrers-protein som har en sentral alfa-heliks pakket mot et 4-lags sammenflettet beta-lag. Forfatterne designet en gradvis serie av mutasjoner for å oppdage hvorvidt det ville være noen evolusjonær sti fra en fold til en annen. De konkluderte med at sekvensrommet mellom de to foldene er enormt. Til slutt konkluderte Blanco at å få et fullstendig nytt protein fra ett eksisterende, er usannsynlig skal inntreffe ved evolusjon gjennom en serie av foldede foreløpige sekvenser." M.a.o. kunne ikke han og teamet se hvordan en tradisjonell neo-darwinistisk gangsti kunne klare reisen.

Gauger og Axe utførte et lignende eksperiment, men de valgte to enzymer med strukturer som lignet hverandre meget nært. De laget 29 aminosyre-endringer for ett av enzymene, uten å være i stand til å endre dets funksjon til en annen. De konkluderte at selv dette moderate endrings-forsøket ville kreve minst 7 nukleotide endringer, og ved å betrakte kjente mutasjonsrater ville det ta minst (10 opphøyd i 27) år, som er mye lengre enn jordas alder. De konkluderte fra "dette resultatet og andre lik det utfordrer den vanlige praksisen med å slutte fra likhet alene at overganger til nye funksjoner inntraff ved darwinistisk evolusjon." (33) I 2006 søkte også Leisola om midler til et lignende prosjekt fra det finske akademiet, uten å få det. I følge ekspert-panelet, ville han sannsynligvis ikke ha lykkes, og ingen vet hvordan enzym-strukturer dannes. Selv om han var skuffet over ikke å få støtte, fant han det likevel forfriskende med panelets ærlige innrømmelse at neo-darwinistisk mekanisme ikke fremviser et troverdig scenario for evolusjon av enzymer.

Douglas Axe's påfølgende arbeid indikerer sterkt det som Blancos team demonstrerte, også innebærer trouble for 'nøytrale mutasjoner'. Nøytrale mutasjoner går utenom problemet med å behøve funksjonelle protein-former ved hvert mutasjons-steg, siden mutasjonene er i en genetisk nøytral sone. Men denne fordelen kommer med en høy pris: den nøytrale sonen fjerner kraften ved naturlig seleksjon til å lede reisen fra en proteinform til en annen. Husk at det var den samvirkende kraft ved mutasjoner og naturlig seleksjon som gjorde at Darwins teori fremsto så troverdig. Naturlig seleksjon som virket på tilfeldige variasjoner, ble sagt å fungere som et design-substitutt. I den nøytrale sonen, er genetiske mutasjoner blinde for mutasjoner som ville tilføre en umiddelbar fordel utenom den nøytrale sonen. Det er en høy pris, fordi det blant biologer lenge har vært kjent at rent tilfeldige søk ikke kunne hamle opp med de høye oddsene for å utvikle all biologisk kompleksitet rundt oss. Det er nettopp derfor de har klynget seg slik til neo-darwinistisk naturlig seleksjon. Den var trodd å være guide og redningsmann fra tilfeldig variasjon, ved å gi den trekkraft og retning. Uten den er tilfeldige vandringer blinde, i ørska og uten en umiddelbar hensikt.

Så det synes å være strenge grenser for hvor langt proteiner, inkludert enzymer, kan utvikle seg. Vi trenger ikke å se det som en feil ved disse biologiske formene. Bloom et al (34) har vist at ekstra stabilitet tillater flere mutasjoner og gjør proteinet mer fleksibelt, innen strenge grenser, uten å å ødelegge dets naturlige strukturer. Med andre ord kan protein-stillaset tåle et anselig antall mutasjoner uten å endre dets basis-struktur. Leisola har nå vist nøkkel-resultatene fra de tre siste tiår med protein- og spesielt enzym-engineering. Resultatene kan summeres som følger:

*Proteiner kan modifiseres med tilfeldige og design metoder, men bare innen knappe grenser. Basis-strukturer er ikke blitt endret.
*Selv om tilfeldighet spiller en rolle i noen av protein-eksperimentene, var alle eksperimentene designet, og har søkt gjennom mye større sekvensrom enn naturlige prosesser alene kunne ha gjennomsøkt.
*Selv med store mengder av intelligent input, har ikke noe fundamentalt nytt blitt skapt.

Og hva med livets begynnelse, og med det starten på proteiner og enzymer? Tenk deg et øyeblikk at alle problem ovenfor kunne løses av en blind, evolusjonær prosess, likevel ville materialistisk evolusjon møte en uoverstigelig hindring, en som kort kan oppsummeres slik: Enzymer er biokjemiske maskiner, essensielle for liv. Disse proteinene katalyserer alle reaksjoner i cellen. De gjenkjenner, kutter, limer, transporterer, oksiderer, forflytter og endrer deler av molekyler. Men hvordan får man enzymer eller noen slags proteiner i første omgang?

Biolog Dan Tawfik ved Weizman Institute i Israel, leder en forskningsgruppe, som er dedikert på å finne gangstier hvorved proteiner kan ha utviklet seg. Men han er ærlig omkring opprinnelse-til-liv problemet: "Evolusjon har denne catch-22 haken: Ingenting utvikler seg, uten at det allerede eksisterer," sier han. Så hva sier han om de første enzymene og andre proteiner som er sentrale ingredienser i livet? Han beskriver deres opprinnelse som "noe i likheten av et mirakel."

Referanser:

28. M. Behe, "The Edge of Evolution: The Search for the Limits of Darwinism (New York: Free press, 2007), 146

29. O. Khersonsky, C. Roodveldt og Dan Tawfik, "Enzyme Promiscuity: Evolutionary and Mechanistic Aspects," Curren Options of Chemical Biology 10 (2006): 498-508

31. D. Axe og Ann Gauger, "Model and Laboratory Demonstrations that Evolutionary Optimization Works Well Ony If Preceded by Invention -Selection Itself is not inventive," BIO-Complexity 2015, no. 2 (2015):1-13

32. Fr. J. Blanco et al, "Explring the Conformational Properties of the Sequence Space between Two Proteins with different Folds: An Experimental Study," Journal of Molecular Biology 285 (1999): 741-755

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9878441 Tilgjengelig 26.10.2018

33. Ann K. Gauger og Douglas Axe, "The Evolutionary Accessibility of New Enzyme Functions: A Case Study from the Biotin Pathway," BIO-Complexity 2011, no.1 (2011): 1-17

34. J. D. Bloom et al, "Protein Stability Promotes Evolvability," Proceedings of National Academyt of the Sciences 103 (2006): 5869-5874

35. http://www.asbmb.org/asbmbtoday/asbmbtoday_article.aspx?id=48961