A meglepően komplex és kooperatív ökoszisztémákat egy japán kutatócsoport hozta létre egy hosszú kísérlet keretében, amelynek eredményei nagyon fontos dolgokat tárhatnak fel az élet kialakulásával kapcsolatban. A kutatás során a replikálódásra képes RNS-ek több száz óra alatt öt különböző molekuláris „fajjá” fejlődtek, amelyek gazdákként, illetve parazitákként éltek együtt, kooperálva, illetve versengve az erőforrásokért, mondja Mizucsi Rio, az eredményekről beszámoló tanulmány vezető szerzője, a Tokiói Egyetem kutatója.
A kísérlet, amely az elmúlt évek során több korábbi elméleti felvetést is megerősített, igazolta, hogy a másolódásra képes molekulák spontán komplexitásra tehetnek szert, és közben az evolúció darwini modelljét követik, ami kritikus lépés lehetett az élet kialakulása során is, vélik a szakértők.
„Erre közvetlen bizonyítékunk van, a saját szemünkkel láttuk, ahogy megtörténik”
– mondja Mizucsi.
A kutatás a független szakértők szerint is óriási jelentőségű, hiszen feltár egy nagyon fontos lépést, amely az élet kialakulásának egyik kezdeti lépése lehetett. Ha ezt a lépést úgy képzeljük el, ahogy a kísérlet megmutatja, onnantól sokkal világosabbnak tűnik a folytatás, mondja Sijbren Otto, a Gröningeni Egyetem kutatója, aki nem vett részt a japán vizsgálatban.
Spiegelman szörnyei
Az új kísérlet gyökerei az 1960-as évekbe nyúlnak vissza, amikor Sol Spiegelman molekuláris biológus „apró szörnyeket” hozott létre laborjában. Ezek a szörnyek a megtévesztő elnevezés ellenére nem valódi, bizarr kinézetű, netán ijesztő lények voltak, és nem is voltak életben. Helyette szintetikus molekulákról van szó, amelyek képesek voltak replikálódni, azaz lemásolni magukat a kémcsőben.
Spiegelman alapszörnye egy vírusgenomon alapuló, mutációra képes RNS-szál volt, amely a végtelenségig képes volt replikálódni, ha melegítették és a szükséges nukleotidok, illetve egy replikáz nevű polimerizáló enzim a rendelkezésre állt.
A szakértő számára azonban az is hamar nyilvánvalóvá vált, hogy másolatok egyre kisebb méretűek: ennek oka az volt, hogy azok a kópiák, amelyek megszabadultak a felesleges génektől, gyorsabban replikálódtak, így egyre több volt belőlük.
Ami aztán oda vezetett, hogy nagyobb eséllyel kerültek bele a kémcsőből begyűjtött mintába, amely a következő kolonizálandó kémcső alapját adta. Vagyis akárcsak az élő fajok, a molekulák mutálódni és evolválódni kezdtek, és a természetes kiválasztódás nyomán azok a változatok emelkedtek ki a folyamatból, amelyek a leginkább alkalmasnak bizonyultak a kémcsövekben való boldogulásra.
Spiegelman kísérletei az első demonstrációi voltak a darwini evolúció molekuláris szinten való megvalósulásának. Ezek a kutatások a következő évtizedekben további hasonló kísérletek kidolgozásához vezettek, amelyek kulcsszerepet játszottak annak alakításában, ahogy az élet kialakulásáról gondolkodunk.
Utóbbi kapcsán ide vezethető vissza, hogy a szakértők nagy része az RNS-világ nevű hipotézist tartja a legvalószínűbb kiindulópontnak, vagyis hogy az élet spontán alakult ki önmagukat replikálni képes RNS-molekulákból. A vonatkozó kutatások azonban mostanáig egy fontos kérdést megválaszolatlanul hagytak: lehetséges, hogy egyetlen molekulából többféle replikátor komplex hálózata alakuljon ki?
Evolúció a kémcsőben
Nagyjából egy évtizeddel ezelőtt Icsihasi Norikazu, az Oszakai Egyetem bioinformatikai mérnöke kollégáival Spiegelman kémcsővilágának egy alternatív változatával kezdett kísérletezni. A szakértők egy olyan RNS-t hoztak létre, amely a replikáz génjét is tartalmazta. Ahhoz azonban, hogy a molekula képes legyen lemásolni a saját kódját, további addíciókra volt szükség: így riboszómákat és más transzlációs összetevőket is hozzáadtak a keverékhez. Ezeket a kólibaktériumtól kölcsönözték, és cseppek belsejében adták hozzá őket az RNS-ekhez és a nyersanyagokhoz.
A következő évek gondos kevergetéssel és hosszú várakozással teltek. A replikációs rendszert 37 °C-on inkubálták, folyamatosan új transzlációs összetevőket és nyersanyagokat adva hozzá a magukat másoló RNS-molekulákhoz. Néhány naponta elemezték a kémcsövek RNS-koncentrációját, és minden héten lefagyasztottak valamennyit az aktuális keverékekből. Félévente egy nagyobb mennyiségű minta szekvenálását is elvégezték, hogy lássák, milyen új mutációkra és leszármazási vonalakra tett szert az RNS-molekula.
Az első izgalmas eredményekre 215 óra és 43 környi replikáció után figyeltek fel a szakértők, akik ezekről az eredményekről 2016-ban a Proceedings of the National Academy of Sciences oldalain számoltak be. Az eredeti RNS helyét eddigre két élesen elkülönülő leszármazási vonal vette át. Az egyiket a kutatók „gazdaként” írták le, mivel ez saját replikázát használva másolta önmagát, ahogy az eredeti RNS-ek tették.
A másik vonal, a „paraziták” vonala viszont a gazda replikázát „vette kölcsön” saját másolásához, minthogy maga már nem rendelkezett az enzim működőképes génjével.
Amikor Icsihasi és társai eljutottak a 120. replikálódási ciklusig, felfedezték, hogy a gazdavonal két különálló gazdaágra bomlott fel, és ezek egyike két eltérő parazita fejlődési ágat termelt ki. De nemcsak a leszármazási vonalak száma növekedett, hanem az interakciók komplexitása is. A gazdák olyan mutációkra tettek szert, amelyekkel különböző problémák ellen védték magukat. Úgy tűnt, hogy a gazdák és a paraziták párhuzamosan, egymást befolyásolva evolválódnak.
A paraziták és a gazdák populációinak aktuális mérete nagymértékű fluktuációkon ment át ebben az „evolúciós fegyverkezési versenyben”, írták a szakértők 2020-as tanulmányukban, amely az eLife-on jelent meg. Egy-egy RNS-leszármazási vonal átmenetileg dominánssá vált, majd átadta a helyét egy másiknak. És ha egy ág sikeresebbnek bizonyult, egy másik közben visszaszorult, mondja Icsihasi, aki azóta már a Tokiói Egyetemen dolgozik.
Kooperatív hálózatok
A kutatók ezt követően is folytatták a kísérletet. A 130. replikálódási ciklusra újabb gazdaág alakult ki, a 160-ikra a paraziták egyike eltűnt, majd pár ciklussal később egy újabb parazitaág jelent meg. A 190. ciklusra aztán újabb nagy meglepetés várta a szakértőket: a korábbi jelentős kilengések az ágak populációinak nagyságában csillapodni látszottak. Ez a stabilizálódás azt sugallta, hogy a különböző „fajú” populációk immár nem versengenek egymással a replikálódás érdekében. Ehelyett hálózatként kezdtek viselkedni, és kooperáltak, stabilizálva az egymás mellett élést.
Mizucsi, Icsihasi és társaik márciusban számoltak be a kísérlet aktuális eredményeiről a Nature Communications oldalain.
A szakértőket teljesen lenyűgözték az új fejlemények, elvégre, ahogy ők is írják, „pusztán molekulákról van szó”.
Az eredmények valóban lenyűgözőek. A szakértők végignézték, ahogy egyetlen fajta molekulából a természetes szelekció nyomán többféle típus alakul ki, amelyek versengenek egymással, majd komplex közösséggé alakulnak, ahogy az élő sejtek, állatok vagy emberek tennék. A folyamatok során pedig több olyan szabályszerűséget megfigyeltek, ami a hasonló, komplex rendszerek stabilizálódásához és tartós fennmaradásához szükségesnek tűnik.
Az eredmények egy része megerősítette néhány korábbi elméleti, illetve kísérleti vizsgálat eredményeit, amelyek során vírusok, baktériumok és eukarióták körében vizsgálták a komplexitás kialakulását. Az egyik ilyen korábbi vizsgálat például azt sugallta, hogy a paraziták feltétlenül szükséges a komplexitás kialakulásához. A paraziták ugyanis evolúciós nyomást gyakorolnak a rendszerre, ami újabb leszármazási ágak kialakulását segíti elő.
A másik érdekes és meglepő megfigyelés a kooperáció kritikus szerepére hívja fel a figyelmet. Az öt ág különböző kisebb hálózatokat alkotott egymással, és ezek közül egyesek kooperatívabbnak bizonyultak másoknál. A 228. ciklusra például az egyik gazdaág „szuperkooperátorrá” nőtte ki magát: a hálózatokba, amelyekbe bekapcsolódott önmaga és a az összes többi ág tagjai is replikálódni tudtak. A másik két gazdaág hálózataiban viszont csak saját maguk és az egyik parazita tudott replikálódni.
A kísérlet keretében a kooperáció kizárólag a replikációra irányul, de a szakértők úgy hiszik, hogy a feltételek módosításával idővel másfajta együttműködéseket is életre lehet hívni, például az anyagcsere terén.
Az élet kezdetei?
Persze egyáltalán nem biztos, hogy amit a laborban megfigyeltek, úgy történt a valóságban is az élet kialakulása során. Ez már csak azért sem valószínű, hiszen a mostani keverékhez is kellettek egy magasabb rendű, ténylegesen élő rendszer elemei, a kólibaktérium bizonyos molekuláris összetevői. Hogy ezek helyett mi szerepelhetett az eredeti „őslevesben”, azt egyelőre nem tudják a szakértők, vagyis továbbra is nyitott az egyik legfontosabb kérdés: hogyan kezdődött a fehérjeszintézis?
De ha a kutatóknak sikerül teljesen önreplikálódó molekulákat létrehozni, és velük is hasonló komplexitást elérni, az más nagyon hasonló lehetne ahhoz, ahogy az élet kialakulása során folyhatott a folyamat, mondják a független szakértők. A kísérlet ugyanis pontosan azt sugallja, hogy ha megoldódik a replikálódás problémája, a megfigyelt komplexitás és a kooperáció onnantól magától kialakul.
Icsihasi és kollégái a kísérlet egyik mellékvágányaként egy másik kísérletben is megpróbálták reprodukálni a megfigyelt kooperatív hálózatokat. Ehhez mintát vettek az öt leszármazási ágból, majd ezeket összekeverték. Az ötből négy ág tovább replikálódott – eddig 22 ciklusig –, de az ötödik nagy meglepetésre eltűnt. Egyelőre senki sem tudja, miért.
Az egyik lehetőség, hogy az eredeti rendszer a kimutatottnál is összetettebb volt, és létezett benne egy hatodik ág is, amelyet nem vettek észre, és amely szükséges volt a kihalt ág túléléséhez. Elméleti modellekkel a szakértők megmutatták, hogy a négy megmaradt ág együtt önfenntartó rendszert képes alkotni, amelyben mindannyian tudnak replikálódni. Viszont, ha bármelyiket eltávolítják a rendszerből, az legalább egy megmaradt ág kihalásához vezet. A szimulációkból az is kiderült, hogy az egyik parazitaág kiiktatása a hozzá tartozó gazda eltűnésével járna, ami egészen különös fejlemény, és rámutat, milyen furcsán alakulhat a kooperáció az ilyen hálózatokban.
Közben a szakértők természetesen a fő kísérletet is tovább folytatják, és figyelik, hogy vajon mi történik a következő fázisban.
Tovább növekszik a hálózat komplexitása? Esetleg leépül? Vagy valami egészen más történik? A kutatók ezen felül DNS-sel is elkezdték ugyanezt a kísérletet. Ez a kutatás még csak most indult, de érdeklődve várják, hogy milyen új irányokba vezet.
