Багато мутації не впливають на пристосованість організму і тому можуть пасивно накопичуватися в генофонді, формуючи запас «прихованої мінливості». Передбачається, що прихована мінливість допомагає популяції вижити при зміні середовища, тому що деякі з проблем, що накопичилися «непотрібних» мутацій можуть виявитися корисними в нових умовах. Швейцарським біологам вдалося підтвердити це припущення в експериментах з молекулами РНК, які еволюціонують в пробірці. Популяції молекул, яким дали можливість накопичити «приховану мінливість», пристосувалися до нового середовища краще і швидше, ніж контрольні популяції без прихованої мінливості.
Передбачається, що прихована мінливість може відігравати важливу роль в еволюції, допомагаючи популяціям пристосовуватися до нових умов. Деякі мутації, колишні нейтральними в колишніх умовах, можуть виявитися корисними при зміні середовища. Чим більше таких мутацій накопичилося в генофонді популяції, тим більше шансів, що хоч якісь з них «знадобляться» в нових умовах.
Це вдалося зробити швейцарським біохімікам, які вибрали в якості піддослідного об'єкта не справжні живі організми, а квазіжівую систему - популяцію розмножуються рибозимов (молекул РНК з каталітичні властивості).
Дослідники очікували, що за 10 поколінь такого життя популяції придбають значний запас прихованої мінливості. Рибозими будуть мутувати, шкідливі мутації відсіється відбором, а нейтральні накопичаться. Відомо, що вихідний Рибозим Azo справляється зі своєю функцією в дуже широкому спектрі умов (наприклад, він витримує нагрівання до 80 ° C). Це говорить про високу «завадостійкості» рибозима і дозволяє сподіватися, що до мутацій він виявиться так само толерантний, як і до стрибків температури.
Сподівання виправдалися: обидві популяції за 10 поколінь накопичили чимало мутацій. Вихідних, немутантів, молекул «дикого типу» майже не залишилося. Більшість особин відрізнялися від вихідного рибозима трьома-шістьма мутаціями.
Модифікована нуклеїнова кислота з фосфоротіоатамі замість фосфатів. Малюнок з сайту genelink.com
Пристосованість популяцій A і B (тобто їх усереднена каталітична активність) за 10 поколінь практично не змінилася. Вони не стали справлятися зі своєю функцією краще, ніж вихідний Рибозим Azo. Мабуть, Azo вже був максимально оптимізований для виконання цієї функції, і тому за 10 поколінь еволюціонуючим популяціям так і не вдалося «знайти» таку мутацію, яка б зробила розрізання субстрату ще більш ефективним. Жодна з виниклих мутацій виявилася корисною і не була підтримана рушійним добором. Таким чином, протягом 10 поколінь діяв тільки очищає відбір, який відбраковував «шкідливі» мутації, а нейтральні ігнорував, пасивно дозволяючи їм накопичуватися.
Тепер можна було перевірити найголовніше: чи допоможе накопичена прихована мінливість пристосуватися до нових умов. «Нові умови» полягали в тому, що дослідники замінили субстрат. Замість стандартного олигонуклеотида вони запропонували рібозімамі його похідне, в якому один із залишків фосфорної кислоти (розташований якраз в тому місці, де Рибозим повинен розрізати ланцюжок РНК) був замінений на фосфоротіоат. «Дикий» Рибозим Azo справляється з таким субстратом, але з дуже великими труднощами (з низькою ефективністю).
Після зміни субстрату еволюційний експеримент тривав ще 8 поколінь, але тепер в ньому брали участь вже не дві, а три популяції. До пройшли 10 поколінь штучної еволюції лініях A і B додалася третя, контрольна лінія, що складається з рибозимов «дикого типу» (WT) і не має запасу прихованої мінливості.
Всі три популяції за 8 поколінь в тій чи іншій мірі «пристосувалися» до нового субстрату, тобто стали розрізати його ефективніше, ніж спочатку. Однак популяції A і B пристосовувалися швидше і досягли в результаті більшої ефективності, ніж лінія WT (див. Малюнок).
Пристосування популяцій A (червоні кружки), B (сині) і WT (чорні) до нового субстрату. По горизонтальній осі - покоління, по вертикальній - пристосованість, яка вимірюється часткою рибозимов, яким вдалося розрізати субстрат. Малюнок з обговорюваної статті в Nature
Рибозим Azo *. як показали подальші експеперіменти, дійсно розрізає новий субстрат з дуже високою ефективністю. Що ж стосується рибозима Azo Δ, то в чистому вигляді він, на подив учених, взагалі не зміг впоратися з новим субстратом. Виявилося, що це своєрідний рібозім- «дармоїд»: він прекрасно ріже новий субстрат тільки в присутності інших рибозимов (наприклад, вихідного або Azo *). Ймовірно, інші рибозими якимось чином допомагають йому згорнутися в правильну тривимірну конфігурацію. Подібні ситуації раніше вже були зареєстровані в експериментах з рибозимами.
Що стосується лінії WT, то в ній за 8 поколінь так і не з'явилися високоефективні мутанти, які можна порівняти з Azo * або Azo Δ.
Дослідження наочно продемонструвало потенційну корисність прихованої мінливості для швидкої адаптації до нових умов. Щоб прихована мінливість могла накопичитися, що еволюціонують організми повинні бути перешкодостійкими. Якби вихідний Рибозим не володів цією властивістю, переважна більшість мутацій були б для нього в нормальних умовах шкідливими. Що очищає відбір безжально б їх відсівав, і при зміні умов в популяції не виявилося б особин, «преадаптіровани» до нового субстрату.
А я от не зміг зі статті вловити такий момент. Чому дві лабораторні лінії за 10 поколінь зуміли накопичити потрібний багаж нейтральних мутацій, а дика лінія за покоління своєї дикої еволюції не зуміла накопичити такого багажу нейтральних мутацій, які б і їй теж допомогли швидше адаптуватися до нового субстрату?
P.S. До речі, на мій погляд розмова про сміттєвої частини ДНК зайшов не дарма. Адже є досить природним припустити що молекула має обмежений обсяг багажу нейтральних мутацій. Його перевищення стає безумовно шкідливим, що призводить до того, частина нейтральних мутацій починають проявляти рушійний характер, в результаті чого або зникають з популяції, або переходять в розряд потрібних.
Так ось, виходячи з такого припущення. що змушує думати, що у дикій лінії не було багажу нейтральних мутацій, а в двох лабораторних лініях вони раптом накопичилися?
Швидше за все через те, що перевірялося всього 3 лінії, випадково виявилося що лабораторні пристосувалися швидше і краще. Але все могло бути і навпаки. Для коректної відповіді потрібні сотні лабораторних ліній, і сотні диких.
Замість стандартного олигонуклеотида вони запропонували рібозімамі його похідне, в якому один із залишків фосфорної кислоти (розташований якраз в тому місці, де Рибозим повинен розрізати ланцюжок РНК) був замінений на фосфоротіоат. «Дикий» Рибозим Azo справляється з таким субстратом, але з дуже великими труднощами (з низькою ефективністю).
----------------------------------------------------------
Далі в діаграмі, яка б показала ступінь пристосованості видно що «дикий тип» WT спочатку не набагато поступається А (0,24 і 0,265 десь) і В (0,24 і 0,29). У чому ж нові умови тоді?
Я впав в оману, насправді в статті малося на увазі так: раз вже дикий Рибозим справляестя з таким новим субстратом з працею, а
-------------------------------------
«Пристосованість популяцій A і B (тобто їх усереднена каталітична активність) за 10 поколінь практично не змінилася. Вони не стали справлятися зі своєю функцією краще, ніж вихідний Рибозим Azo. »
--------------------------------------------------
Раз у А і В повинні справлятися з субстратом з працею.
На графіку видно, що стартують А і В вже з форою, тобто A і B все-таки накопичили позитивні мутації. Причому фора між У і WT дорівнює спочатку вже 40% відмінності пристосованості в результаті. Ще варто відзначити, що практично всі підсумкове відмінність між A і WT і значна частка відмінності між B і WT склалося через падіння тільки другого покоління WT і це падіння другого покоління з 8-ми поколінь всіх трьох рибозимов було найзначніше і саме вибиваються , яка внесла значний вклад в підсумкові відмінності спільно з різними стартовими умовами.
І чому тільки 8 поколінь, а якщо більше. Видно що WT c 5 по 8 покоління перевершує A і В за зростом пристосованості.