Az élet keletkezése és a paraziták

Most jött el az az alkalom a blog „életében”, hogy saját kutatásról adok hírt. Egy tanulmányunk, amit évekkel ezelőtt kezdtünk el, s valamikor 2014-ben fejeztünk be, most jelent meg. Ez számomra mindig nagy öröm, de nem minden esetben érzem úgy, hogy olvasóimat is érdekelné, amivel foglalatoskodom. Ez a tanulmány viszont a világ egyik legrangosabb tudományos lapjában jelent meg, a Science-ben.

 

Egy francia kísérletes laborral karöltve megmutattuk, hogy a membránba zárt RNS enzimek fenn tudnak maradni a mutánsaik parazitizmusa mellett is. Nem oldottuk meg az élet keletkezését. De biztosabbak vagyunk benne, hogy megtörténhetett úgy, ahogy gondoljuk. 

A bal oldalon a rendszer működése látható. Először apró cseppeket keletkeznek, bennük nem túl sok RNS-el eleinte. Pár óra alatt felszaporodnak. Egyesekben lesz elég enzim, s így elég fluoroeszcens jel (narancs), a többiben nem. Ez előbbieket kiválasztjuk, s a tartalmukból lesz a következő generáció. A cseppekben (jobbra) az RNS enzim (VS ribozim)-ot másolja a Qbéta replikáz (egy bakteriofágnak az RNS alapú RNS polimeráza). Az enzim reakciók katalizál (ebből lesz a jel).

A tudományos kutatásoknak van története, akkor is, ha ez már a végleges termékben, a cikkben nem is jelenik meg. Ennek a vizsgálatnak a története valamikor a 2000-es évek közepén kezdődik. A kutatás két vezetője, Szathmáry Eörs és Andrew Griffiths egy konferencián találkozott, ahol Andrew jelezte Eörs felé (elnézést, hogy a professzor urakra keresztnevekkel hivatkozok, a biológusok általában tegeződnek), hogy szívesen megvalósítaná kísérletben Eörs egy régi elméletét. A stochasztikus korrektornak nevezett elmélet arról szól, hogy két különböző enzim képes egy protosejtben (egy az élet keletkezésekor létező kialakuló) együtt élni, akkor is, ha valamelyik gyorsabban másolódik, s akkor is, ha vannak paraziták, amelyeket a sejt másol, de amik nem járulnak hozzá a sejt működéséhez.

Már akkor is létezett a mikrofluidikának nevezett technika, amivel nagyon apró (pikoliter méretű, ahol a piko 10^-12) vízcseppeket lehet előállítani, kezelni, nyomon követni, stb. Ez így még nem hangzik túl izgalmasnak (kivéve a kolloidikusoknak). Viszont ugye a sejtjeink is lényegében vízcseppek, amiben van mindenféle, amitől működünk. Sejtet nem tudunk előállítani. De egy ilyen vízcseppben enzimreakciók, beleértve az RNS/DNS szállak másolását is, lejátszódhat.

A kísérletekhez pénz is kell. 2009-ben nyertünk először egy pályázatot, amiben az akkor még Strasbourgban dolgozó Andrew és a mi kutatócsoportunk is benne volt. Ekkor kezdődtek el a kísérletek. Vagy inkább az előkészület a kísérletre. Ami így leírva olyan egyszerűnek tűnik, azt bizony évek munkája volt megvalósítani. Ki kellett választani a megfelelő RNS enzimet (RNS enzimet, mert RNS világról van szó), meg kellett oldani a másolását, az érzékelését, az általa végrehajtott reakció érzékelését, stb. Megoldották. A világ egyik legjobb laborjáról van szó ezen a területen.

Megmutattuk, hogy a kompartmentalizáció és a szelekció szükséges a paraziták kivédésére. Ehhez előbb a kompartmentalizáció nélküli rendszert vizsgáltuk. Egy nagyobb kémcsőben (OK, manapság a nagyobb az 50 µL-t jelent) összeraktuk az RNS enzimet, a másolásához kellő molekulákat és azt, amin az enzim valamilyen változást tud eszközölni. Ez amúgy egy másik RNS szál, amit az enzim hasít. Hasítás következtében megváltozik a fluoreszkálása a molekulának. Megvilágítjuk és nézzük milyen színű fény bocsát ki. A kibocsátott fény intenzitása arányos a termék koncentrációjával. Szóval hagyjuk ez az elegyet egy ideig, majd egy kis részét egy friss oldatba átrakjuk. Az új oldatban nincs az RSN enzimünkből az az előző „generációból” kerül ide. Így a reakció folyamatosan mehet, különben elfogyna a szaporodáshoz szükséges forrás. Az enzimünk nagyon gyorsan eltűnik a populációból. Ez azért van, mert a másoláskor mutánsok keletkeznek. Ezek általában rövidebbek, s így gyorsabban másolódnak. Mivel a következő generációba való bekerülést csak a mennyiség határozza meg, a leggyorsabban másolódó RNS gyakorisága nő. Ez az RNS szál viszont nem enzim, semmi hasznosat nem végez: parazita.

Mi történik, ha apró cseppekbe helyezzük az elegyet? Az enzim kiszorítása lassabb lesz. De megtörténik. A paraziták ezt a rendszert is elözönlik. Szelekció híján itt is a leggyorsabban másolódó RNS szál nyer. Viszont, ha csak azokat a cseppeket engedjük a következő generációhoz hozzátenni, amelyekben elég enzim van (reakció végbement), akkor az enzim túlélhet. A nagy kémcsőben nem lehet szelektálni, mert nincs olyan kisebb valami, amit a többitől elkülöníthetünk: te jó vagy, téged megtartunk. Viszont a cseppek esetében az egyes cseppeket kiválaszthatjuk a fluoreszkálásuk alapján. A tanulmány címében szereplő tranziens kifejezés itt jön a képbe. A válogatás után a cseppek tartalmát összeöntjük, s abból veszünk mintát a következő generációhoz. Ez az állandóan sejtes léthez képest egy egyszerűbb rendszer, ami néha szétesik. Egy ilyen megelőzhette a sejtek kialakulását. A hasznos molekulák szelektív fenntartásához ez is elegendő.

Most megkérdezhetitek, hogy akkor én elméleti biológus mit is csináltam ebben a kutatásban? Egy kutatás – ideális esetben – az elmélet és a kísérlet folytonos egymásra épülése. Az elméleti munkák hipotéziseket generálnak, illetve kiterjeszthetik a kísérletes munkákat olyan paraméterekre, amelyekre azokat nem végezték el. A kísérlet meg alátámasztja, hogy az elmélet működik.

Itt az én feladatom volt, hogy a kísérletes rendszer működését minél jobban közelítő elméleti modellt alkossak (ez lényegében egy program, ami követi, hogy melyik molekulából hány darab van). Egyrészről vissza kellett kapni azt az eredményt, amit a kísérlet mutatott. Ez mutatja, hogy a modell jó (vagy legalábbis nem tartalmaz túlságosan fontos elhanyagolásokat). Ezt követően tudtuk „faggatni” a modellt, hogy akkor miért is az történik, amit látunk.

A nagy kémcső eredménye triviálisnak tűnt, s az is. Modellezésben az eredmény régóta ismert. Mégis alig tudtuk reprodukálni. A kulcs felfedezés az, hogy nem mindegy mikor keletkezik az első mutáns. A mutáció ritka. A mutánsok szaporodása gyors. Ha később keletkezik az első mutáns, akkor kisebb lesz az aránya és lassabban tűnik el az enzim. Fordított esetben pedig gyorsabban. A kezdeti lépések stochaszticitása fontos.

Elsőre nem értettük, hogy miért nem találunk sok gyorsan szaporodó mutánst a kompartmentalizált rendszerben. Ott a cseppekben az enzim mellett lassan másolódó paraziták voltak. Elneveztük őket puha parazitának. A szimulációnkkal rájöttünk, hogy a gyors – kemény – paraziták olyannyira elözönlik a cseppeket, hogy azok nem választódnak be a következő generációba, olyan kevés enzim van bennük. A lassabban másolódó paraziták viszont nem rontják el túlságosan a cseppet, s így túlélnek. Ez amúgy hasonlít arra, hogy a fertőző betegségeknek sem érdemes túl fertőzőnek lenni, csak annyira, továbbadódjanak.

Mindez amúgy ökológiai modellezés. És molekulákról szól. Ékes példája, hogy nincs olyan, hogy infraindividuális biológia és szupraindividuális ökológia. Ezek címkék, amivel egymást bosszantjuk. Biológia van, ami az élőlények minden szerveződési szintjét vizsgálja. Gyakran ugyan azokkal az eszközökkel távolinak tűnő rendszereket, mint egy molekulákkal teli vízcsepp vagy egy gazda-parazita rendszer.

Hivatkozott irodalom

Matsumura, S., Kun, Á., Ryckelynck, M., Coldren, F., Szilágyi, A., Jossinet, F., Rick, C., Nghe, P., Szathmáry, E. és Griffiths, A. D. 2016. Transient compartmentalization of RNA replicators prevents extinction due to parasites. Science 354(6317): 1293-1296