Flagell-oppdateringer forsterker Behe's utfordring til darwinismen
- fra Irreduserbar kompleksitet
Evolution news; 26. oktober 2017
Oversettelse herfra.
Bilde 1. Bakteriell flagell -Behe
Avbildninger av bakteriell flagellum i 1996, året Darwins Black Box ble utgitt, og i 2002, da 'Unlocking Mystery of Life' brakte den til skjermen i animasjon, se rå ut i forhold til de nyeste som viser alle delene i nær nanometeroppløsning. * Men de var skarpe nok til å motivere Michael Behes "Revolusjonære" argument for intelligent design fra ikke-reduserbar kompleksitet. Tre nye artikler gjør ingenting for å undergrave denne design-inngivelsen, til tross for noen av forskernes appeller til evolusjon. I stedet legger artikelen til nye detaljer om presisjonsarbeidet i disse maskinene, ukjent for 15 år siden, som fremhever argumentet for design.
Video Behe og ikke-reduserbar kompleksitet -her.
Statorer and fart
Det første papiret, i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS -her) , ble redigert av Howard Berg. Han er Harvard-ekspert på flageller, som ble kort nevnt i Unlocking etter å ha kalt flagellen for den "mest effektive maskinen i universet." I dette papiret ønsket forskere fra Oxford, Japan og Kina å vite om rotasjonshastigheten var påvirket av antall stator enheter. Tidligere arbeid hadde antydet at flagella kunne rotere med full fart uavhengig av stator-subenhet antall. Gjennom en rekke presise målinger på flageller fra forskjellige bakteriearter, mutert for å variere tallet, her er hva de fant:
-Den bakterielle flagellarmotoren er en roterende molekylær motor, ansvarlig for svømming, myldring og kjemo-taksi i mange bakteriearter. Det genererer dreiemoment ved interaksjoner mellom en rotor 50 nm i diameter og flere stator enheter. Vi reverserer den rådende forståelsen av hvordan stator-enheter samhandler med hverandre ved å vise at motorhastigheten er avhengig av antall stator-enheter, selv ved høy hastighet nær null dreiemoment.
Forholdet holdes for både natrium-ion type (Na +) og hydrogen-ion type (H +) motorer. Teamet kunne ikke forklare uoverensstemmelsen med tidligere funn, men tilbød en evolusjonær hypotese for forskjellen mellom med-urviser (CW) og mot urviser retnings (CCW) målinger:
-Vi spekulerer på at CCW-dreiemoment-forholdet kan indikere utvalgstrykk for høy effekt, da det kombinerer høyt dreiemoment og høy hastighet ved viskøse dragkoeffisienter som ligner de som oppleves i bunten av en svømmende E. coli- celle. I motsetning til dette er det lineære forholdet som ses i CW-rotasjon, lettere å oppnå i mekaniske modeller, og kan representere mangel på seleksjons-trykk gitt at CW-rotasjon ikke vanligvis brukes til å drive svømming. Denne evolusjonerende 'spekulasjonen' om 'seleksjons-trykk' kunne enkelt omdannes i form av et funksjonelt designkrav. I en bil ed gir kan du for eksempel ha flere fremovergir, men bare ett revers-gir. Utenom dette ene avsnittet. sa forfatterne intet om evolusjon.
De foreslo imidlertid en spennende mulighet for at langsommere flageller kan skyldes mutasjoner eller andre senkende prosesser:
-Hvis en fullt funksjonell enhet roterer ved 240-300 Hz, kan lavere hastighetsnivåer representere delvis funksjonelle enheter. Spekulasjoner om den mulige naturen til disse inkluderer enheter festet til peptido-glykanen ved suboptimale orienteringer eller avstander fra rotoren og halvfunksjonelle enheter med en kanal blokkert, misfoldet eller på annen måte feil sammensatt.
Bilde 2. Bakterie-flagell med delnavn
Form-forandrings mekanisme i propellen
Som nevnt i Unlocking, kan bakterier reversere rotasjonsretningen raskt. Propellen selv må imidlertid også raskt tilpasse protein-underenhetene til "supercoil" i motsatt retning. Her er nyheter: supercoiling er nødvendig for funksjon. Det faktum inspirerte maskin språk, som finnes i denne artikkelen i Nature Communications -her:
-Den bakterielle flagellarfilamentet har blitt studert intensivt i mange år. Det har tjent som et opplysende system for å forstå hvordan et proteinpolymer som består av et enkelt protein, flagellin (unntatt cap-proteinet på enden som fungerer som en samling av chaperone) bytter mellom forskjellige tilstander til supercoil. Denne supercoiling tillater det roterende filament å oppføre seg som en Archimedes-skrue og produsere skyv. Filamentet kan adoptere forskjellige konforme tilstander på grunn av mekaniske krefter, for eksempel når motoren bytter rotasjonsfølelsen, slik at bakteriene svømmer fremover, bakover, på en skrueaktig måte og å falle.
Som Behe hadde påpekt, kan mutasjoner i viktige deler av et ikke-reduserbart komplekst system føre til tap av funksjon:
-Med motoren knyttet til sensoriske reseptorer, er bakteriene i stand til å bevege seg mot næringsstoffer og bort fra farlige miljøer, noe som resulterer i en betydelig overlevelsesfordel. På den annen side genererer mutasjoner i flagellinproteinet som ikke danner supercoilede filamenter intet trykk når slike rette filamenter roteres, hvilket fører til ikke-bevegelige bakterier.
Her finner vi en annen kritisk detalj som ikke var kjent før: et rett filament vil ikke fungere. Det må være supercoil, så det kan fungere som en Archimedes' skrue (den typen Archimedes oppfant for å trekke vann opp av en grøft). Vakre skildringer av filamentproteiner som er arrangert i geometriske kunstverk, kan ses i figur 1 i denne åpne artikkelen. Proteinene må pakkes nøyaktig, slik at de ikke bare vil bli en supercoil, men raskt skifte mellom venstre og høyre orienteringer i en prosess som kalles "polymorfisk svitsjing." Legg merke til hvordan finjustert denne arkitekturen er. Hvis den ikke er nøyaktig balansert, vil den ikke fungere!
Bilde 3: Flagellar filament
-Fra analysen av syv raske mutanter i B. subtilis og to rette mutanter i P. aeruginosa, bekreftet vi bi-tilstandsmekanismen for polymorf omkobling: at det kun finnes to typer underenhet-subunit-interaksjoner (L-type og R-type). Dette antyder at de vildtype-flagellære filamenter med svingmotilitet må innta en innviklet "balanse" i flagellin-sekvensen, slik at sekvensen ikke genererer en sterk preferanse for enten L- eller R-type konformasjonen. En slik balanse er nødvendig for den skarpe overgangen av flagellære filamenter som skifter mellom forskjellige bølgeformer under bakteriell svømming og myldring. Det faktum at rette fenotyper lett kan oppnås på grunn av enkeltpunkt-mutasjoner, indikerer at denne balansen er utsøkt følsom overfor små forandringer, som en enkelt mutasjon, og kan lett tippes mot en dominerende konformasjon, enten alle L eller alle R, som eliminerer bevegelighet.
Forbløffende. Likevel tilskriver de alt dette til evolusjon. De snakker om hvordan sekvensen av flagellin-proteiner har blitt "innstilt" av evolusjonen. Utrolig, på slutten av artikkelen appellerer de til konvergens for å hevde at blind sjanse traff jackpoten for finjustering til tre forskjellige tider i alle livets tre dyre-riker!
-Den bakterielle flagellarfilamentet er et utsøkt innstilt system som representerer evolusjonell utvikling over hundrevis av millioner av år. I motsetning til enkelheten til bakteriell flagellum [ sic ], er den eukaryotiske flagellen, som ikke har noen homologi til noen bakteriell, basert på mikrotubuler og dynein i stedet for en homolog av flagellin, og er for tiden estimert å inneholde mer enn 400 forskjellige proteiner. Det arkaeiske flagellumet, som ikke har noen homologi til de bakterielle eller eukaryotiske, har først nylig blitt løst ved næratomisk oppløsning som viser hvordan kjernen i disse arkea-filamentene dannes av et domene som er tilsvarende (homologt) med det N-terminale domenet til bakteriell Type IV, pilin. Konvergent evolusjon har således gitt tre svært forskjellige flagellære filamenter som alle tillater at celler svømmer, selv om de er helt forskjellige mekanismer -lenke. Vi går nå inn i en ny epoke hvor strukturen til slike filamenter kan løses ut på et nær-atomnivå av oppløsning, ved bruk av cryo-EM. Vi forventer at den nåværende studien og fremtiden vil gi ny innsikt i hvordan flagellabasert svømme-bevegelighet har oppstått til minst tre forskjellige tider i evolusjonen ved hjelp av svært forskjellige komponenter, og hvordan disse konvergente tilpasningene bruker svært forskjellige mekanismer for å oppnå en lignende funksjon.
Hva kan man si? Kanskje det beste svaret er tittelen på en bok av Frank Turek: "Jeg har ikke nok tro til å være ateist."
Dynamisk slire-flagellum
Visste du at noen bakterier har slire over sine propellfilamenter? Tilsynelatende hjelper dette seg med å generere høyere dreiemoment og hastighet, og demonstrerer at flageller kommer, som biler, i en rekke former. Kanskje dette er SUVene i bakterieverdenen, fordi de virkelig kan flytte! Et annet papir i PNAS -her; undersøker bakterier i Vibrio- slekten med slire-flageller, som ikke har blitt studert så mye som de ubeskyttede former som i E. coli. La oss lytte til deres ros av disse molekylære motorer i deres introduksjon:
-Et sofistikert kjemotaktisk signalsystem gjør at bakterien kan fornemme kjemiske stimuli og effektivt svømme mot gunstige miljøer ved en påvirket tilfeldig spasertur, en kombinasjon av "løp" og "fall".
Flagellumet er en stor makromolekylær enhet som består av en lang filament, en krok og en motor. Flagellar-motoren er en bemerkelsesverdig nanomachin innebygd i bakteriecelle-hylsen. Det kreves mer enn 20 forskjellige proteiner er påkrevd for montering av motoren, som kan deles inn i flere morfologiske domener. MS-ringen er innebygd i cytoplasmisk membran. C-ringen, kjent som bryter-komplekset, og eksport-apparatet er lokalisert i den cytoplasmatiske siden av MS-ringen. Stangen forbinder MS-ringen og kroken og er vanligvis delt inn i den distale stangen og den proksimale stangen. L og P ringer på stangen fungerer som muffer på den ytre membran og ved peptido-glykan laget, henholdsvis. Statoren er dreiemomentgeneratoren innebygd i cytoplasmisk membran .... Drevet av proton motiv-kraft, genererer statoren det dreiemoment som kreves for å rotere motoren, kroken og filamentet. Statoren deler flere vanlige trekk til tross for forskjellen i ioner og proteiner som er involvert. Typisk fungerer flere stator enheter sammen, selv om en enkelt stator er nok til å generere rotasjonsmoment. Trinnvis 'bilde-bleking' av en fungerende motorregion viste at statoren er svært dynamisk og kan forene seg raskt med, eller løsne raskt fra rotoren. Nylige rapporter viste at stator-rotorforeningen er avhengig av utførende ioner og dreiemoment-belastning.
Bilde 4. Flere typer bevegelige flageller
Forfatterne fant nye deler i slire-flagellmotoren, noe som kanskje ikke er overraskende gitt høyere ytelses krav. De fant en T-ring, med 13-ganger symmetri, som synes å øke dreiemomentet; en H-ring, som tilsynelatende er viktig under motormontering; og en O-ring, som synes å bidra til å bygge sliren. Disse nye delene er helt innfestet i motoren, akkurat som du forventer nav-låser, overførings-vesken og nyutviklede differensialer som skal bygges for å koordinere med alle de andre delene i et 4-hjulsdrevet kjøretøy. Diagrammene til disse nye delene er virkelig rystende. De ser ut som de ble laget i en maskinbutikk.
Forskerne fant at sliren bøyer seg over filamentet med en glidende handling. Kanskje det gir fleksibilitet som gode sjokk på en jeep. De nye delene av denne motoren gir flere nivåer av irreduserbar kompleksitet til flagellen, noe som resulterer i en motor med høy ytelse!
-Sammenlignet med den velstestede ubeskyttede flagellarmotoren i E. coli (Bilde 2), reflekterer disse Vibrio- spesifikke komponentene ikke bare kompleksiteten til Vibrio- slire- flagellen, men gir også et solid grunnlag for å etablere den karakteristiske høyhastighets og robusthet til Vibrio-bevegelighet ....
Bilde 5. Pilin-flagell
Disse overordnede egenskapene til den distale stangen er i samsvar med hovedfunksjonen som drivaksel, og kan tillate at det ytre membranbundne komplekset beveger seg fleksibelt med membran-sliren under flagellær rotasjon. Alternativt kan avstandsvariasjonene gjenspeile strukturer som er faste for hver motor, men varierer i lengde blant forskjellige motorer.
Denne artikkelen har ingenting å si om evolusjon. Vi vet allerede at de fagfelle-vurderte tidsskriftene har Behe og intelligent design på sitt sinn - de vil bare ikke adressere oss ved navn. Greit. Men virkelig, hvor mye mer maskin-språklig sjargong kan darwinismen tåle?
* Mange av de fantastiske nye bildene av flagella har blitt gjort mulig ved kryo-elektronmikroskopi, for hvilke tre oppfinnere mottok Nobelprisen i kjemi denne måneden okt. 2017 (her). Deres bidrag konvergerte i 2013 med de beste bildene noensinne av den tredimensjonale strukturen til bio-molekyler. "Biokjemi står nå overfor en eksplosiv utvikling og er alt klar for en spennende fremtid," sa Nobelkomiteen. Vi kan se frem til skarpere bilder av molekylære maskiner som viser argumentet for design.
Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund