Az ELKH Ökológiai Kutatóközpont (ÖK) munkatársai Szathmáry Eörs akadémikus vezetésével a világon elsőként mutatták ki egy rendkívül fejlett számítógépes szimuláció segítségével, hogy a földi élet hajnalán hogyan jöhettek létre a kromoszómák. A felfedezés alapjaiban változtathatja meg az élet keletkezésének kutatását. Elméletükről néhány napja jelent meg tanulmány a PLOS Genetics-ben.
Talán nincs is alapvetőbb kérdés a biológiában, mint az élet megjelenésének mikéntje. Az élet, mai tudásunk szerint, pedig nem képzelhető el információtovábbítás nélkül. Az élőlényeknek már a kezdet kezdetén át kellett adniuk a saját szervezetük felépítéséről és az életfolyamataik működéséről szóló információt a követő nemzedék tagjainak. Arról mára széles körű tudományos konszenzus alakult ki, hogy az első örökítőanyag-molekulák rövidek voltak, és a mai RNS-re hasonlítottak. Az RNS ugyanis egyszerre működik örökítőanyagként és enzimként is, vagyis az élethez szükséges molekuláris folyamatokat is képes irányítani.
Kezdetben ezek a kezdetleges génekként működő rövid RNS-molekulák nem kapcsolódtak egymáshoz, mint ahogyan a mai élőlények sejtjeiben lévő kromoszómákon lévő gének kapcsolódnak. A kromoszómák megjelenése az élet evolúciójának egyik fontos mérföldkövét jelentette. De hogyan történt ez az ugrás?
„Ha e gének szabadon mozognak, és egymástól függetlenül készül róluk másolat, akkor egyesek óhatatlanul sikeresebbek lesznek, gyorsabban szaporodnak, és elnyomják a többieket. Vagyis az élőlény egésze nem maradhat fenn” – mondja Szathmáry Eörs, az ÖK főigazgatója.
„Ennek a problémának mi, magyarok adtuk meg a máig legelfogadottabb megoldását még 33 évvel ezelőtt: sejtekbe kell csomagolni a géneket. Így a gének érdekei már azonosak, és nem előnyös egyikük számára sem, ha a sejt elpusztul. Mondhatjuk, mindenki egy csónakban evez, és senki nem nyer azzal, ha túlságosan ingatják a csónakot” – teszi hozzá az elismert akadémikus.
Tehát ezzel a sejtes szerveződés eredete magyarázatot nyert, de az összefüggő kromoszómák megjelenése továbbra is rejtély maradt. Az utóbbi jelenséget vizsgálva angol és magyar evolúcióbiológusok értek el áttörést 1993-ban. Már akkor számítógéppel modellezték az ősi sejtek működését, és kimutatták, hogy a kromoszómákká összekapcsolt gének sikeresebbek voltak, mivel csökkentették a gének sejten belüli versengését. Sőt emellett azt is biztosítják, hogy az azonos kromoszómán ülő gének együtt kerülnek át az osztódáskor szétváló utódsejtekbe, így a leszármazott biztosan tartalmazni fogja az összes szükséges gént a túléléshez.
27 évvel ezelőtt e számítógépes szimuláció úttörő volt, de az akkori komputerek képességeit össze sem lehet hasonlítani a mai lehetőségekkel. Így a kutatók nemrégiben egy sokkal kifinomultabb, ezáltal valósághűbb körülményeket teremtő algoritmus segítségével továbbfejlesztették a kísérletet, az eredmények pedig még inkább elméletük helyességét bizonyították.
„A korábbi szimulációba nem vettük be a genetikai állomány megváltozásának, tehát a mutációknak a hatását, noha ez a jelenség az evolúció egyik valós hajtóereje. Emellett az úgynevezett dózishatás is hiányzott a kísérletből. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy ha a sejt több RNS-enzimet tartalmaz, akkor gyorsabban képes működtetni az életfolyamatait” – folytatja Szathmáry Eörs, majd hozzáteszi: „Most mindezt figyelembe vettük, így egészen valósághűen sikerült modelleznünk a korai sejtek küzdelmét, és bennük a kromoszómák létrejöttét. Azt figyeltük, hogy az eltérő alkotóelemeket tartalmazó sejtek közül melyek válnak sikeressé a túlélésért folyó harcban.”
A sejtek számára a legtöbb mutáció káros, tehát rontja túlélőképességüket. Sőt kezdetben sok parazitagén is lehetett az élőlények genomjában, amelyek szaporodtak önös érdekeiktől hajtva, de az egész sejt számára nem hoztak semmi hasznot. Feltételezhetjük tehát, hogy azok a sejtek lesznek sikeresebbek, amelyek jobban képesek védekezni a káros mutációk ellen. A kísérletből pedig egyértelműen kiderült, hogy a kromoszómával rendelkező sejtek e tekintetben felülmúlják a kromoszómát nélkülöző társaikat.
A szimuláció megengedte a gének összekapcsolódását, vagyis a kromoszómák létrejöttét, de felbomlását is, ami az RNS-világban gyakran előfordulhatott. Kiderült, hogy a dózishatásnak engedelmeskedve olyan kromoszómák terjednek el a populációban, amelyekben több azonos gén kapcsolódik össze – vagyis megjelentek a ma ténylegesen is létező géncsaládok. Ráadásul e kromoszómák a különböző feladatot ellátó géneket azonos, kiegyensúlyozott mennyiségben tartalmazzák. A tudósok ezzel bizonyították, hogy a különböző gének a sejt számára optimális számban és arányban kapcsolódnak össze kromoszómákká, méghozzá spontán módon.
„A legnagyobb eredményünk, hogy bebizonyítottuk: a kromoszómák segítségével a sejtek több gént képesek fenntartani, mint kromoszómák nélkül. Ezáltal összetettebb élőlények jöhettek létre, és megjelenhetett az élet abban a formájában, ahogy azt mi ismerjük” – összegzi Szathmáry Eörs.
A tanulmány szabadon hozzáférhető a PLOS Genetics honlapján.
További információ: @email