Разумный замысел: Общие законы в функции ферментов открывают новый вид биохимической универсальности

В свое время лучшим доказательством существования единого Древа жизни, уходящего корнями к последнему универсальному общему предку (LUCA), была очевидная биохимическая и молекулярная универсальность земной жизни.

Ведущий неодарвинист Теодосий Добжанский красноречиво выразил эту мысль в своем знаменитом эссе 1973 года:

"Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции":

Единство жизни не менее поразительно, чем ее разнообразие... Универсален не только генетический код ДНК-РНК, но и метод перевода последовательностей "букв" в ДНК-РНК в последовательности аминокислот в белках. Одни и те же 20 аминокислот составляют бесчисленное множество различных белков во всех или, по крайней мере, в большинстве организмов. Различные аминокислоты кодируются от одного до шести нуклеотидных триплетов в ДНК и РНК. Биохимические универсалии выходят за рамки генетического кода и его преобразования в белки: поразительное единообразие преобладает в клеточном метаболизме самых разных живых существ. Аденозинтрифосфат, биотин, рибофлавин, гемы, пиридоксин, витамины К и В12, фолиевая кислота повсеместно осуществляют метаболические процессы. Что означают эти биохимические или биологические универсалии? Они предполагают, что жизнь возникла из неживой материи только однажды и что все организмы, независимо от того, насколько они разнообразны в других отношениях, сохраняют основные черты первобытной жизни".

Для Добжанского, как и для всех неодарвинистов (по определению), очевидная молекулярная универсальность жизни на Земле подтверждала предсказание Дарвина о том, что все организмы "произошли от какой-то одной первобытной формы, в которую впервые была вдохнута жизнь" (1859, 494) - сущности, известной сегодня как Последний универсальный общий предок, или LUCA. Притяжение этой очевидной универсальности, коренящейся в LUCA, настолько сильно, что любая другая историческая геометрия кажется немыслимой.

Законы жизни

Теоретик Сара Уолкер и ее коллеги ищут объяснение того, что они называют (в статье Gagler et al. 2022) "законами жизни", которые применимы "ко всем возможным биохимическим процессам" - включая организмы, найденные в других местах Вселенной, если таковые существуют. Для этого они хотели узнать, действительно ли молекулярная универсальность, объясняемая неодарвиновской теорией как материальное происхождение от LUCA (а) существует, и (б) если нет, то какие закономерности существуют, и как их можно объяснить, не предполагая единого общего предка.

А единый общий предок - LUCA? Это то, чего они не нашли.

Подсчитайте различные функции ферментов - а затем сопоставьте это число в общем функциональном пространстве.

Многие тысячи различных функциональных классов ферментов, необходимых для жизни, были описаны и каталогизированы в Классификации Комиссии по ферментам в соответствии с их номерами EC. Эти обозначения состоят из четырех цифр, соответствующих все более специфическим функциональным классам. Например, рассмотрим фермент тирозин-тРНК-лигазу. Его номер EC, 6.1.1.1, указывает на вложенный набор классов: EC 6 включает лигазы (ферменты, образующие связи); EC 6.1 - лигазы, образующие связи углерод-кислород; 6.1.1 - лигазы, образующие аминоацил-тРНК и родственные соединения; наконец, 6.1.1.1 - специфические лигазы, образующие тирозин-тРНК. (См. рис. 1.)

Главный вывод из этого паттерна?

Принадлежность к лигазам - а именно, к ферментам, образующим связи с помощью АТФ - подразумевает принадлежность к функциональной группе, но не к группе с материальной идентичностью между ее членами. Здесь может помочь грубая параллель с естественным языком, таким как английский. Предположим, вы хотите выразить идею "темноты" или "затемнения" (т.е. относительного отсутствия света). Английский язык предлагает широкий спектр синонимов для слова "darkened", например:

мутный
затенённый
затенённый
тусклый
затемненный

То же самое - существование набора синонимов, то есть слов с одинаковым общим значением, но не одинаковой последовательностью - было бы и для любой другой идеи. Например, для понятия "что-то заблокировано" нужны синонимы:
зажатый

окклюзированный
предотвращенный
препятствие
препятствовать

Хотя эти слова передают (приблизительно) одно и то же значение и, следовательно, относятся к одним и тем же семантическим функциональным классам, они не являются одинаковыми символьными строками. Их расположение в английском словаре, упорядоченное по алфавиту, может отличаться на сотни страниц. Более того, как изучает дисциплина сравнительной филологии, исторические корни такого слова, как "hindered", будут радикально отличаться от его функциональных синонимов, таких как "blocked". Эти два слова, хотя семантически в значительной степени синонимичны, попали в английский язык из изначально разных или не связанных друг с другом предшественников - разрыв в символьных строках до сих пор отражается в их совершенно разных написаниях.

Поразительно похожая картина наблюдается с критическими (необходимыми) компонентами всех организмов. Гаглер и др. 2022 изучили обилие функций ферментов в трех основных областях жизни (Bacteria, Archaea, Eukarya), а также в метагеномах (ДНК, взятая из окружающей среды). То, что они обнаружили, было поразительным - вывод (см. ниже), который небиологическим читателям, возможно, будет легче понять с помощью другой аналогии.

Переход к компьютерным архитектурам - затем обратно к ферментам.

Базовая архитектура портативных компьютеров включает в себя компоненты, присутствующие в любой подобной машине и определяемые их функциональными ролями:

Центральный процессор (ЦП) - основной логический оператор
Память - хранение закодированной информации
Источник питания - электроны (энергия), необходимые для вычисления чего бы то ни было.

И так далее. (Хотя детальное изучение этого вопроса завело бы нас далеко в сторону, стоит отметить, что в 1936 году, когда Алан Тьюринг дал определение универсальной вычислительной машины, он не имел ни малейшего представления о появлении на десятилетия позже кремниевых интегральных схем, миниатюрных транзисторов, материнских плат, твердотельных запоминающих устройств или любых других материальных частей компьютеров, которые сегодня так хорошо нам знакомы. Скорее, его части были функционально, а не материально определены, как абстракции, занимающие различные роли, которые эти части будут играть в вычислительном процессе - каким бы ни оказалось их материальное воплощение впоследствии). Теперь предположим, что мы исследовали 100 000 ноутбуков, случайно отобранных в Соединенных Штатах, чтобы узнать, какой тип процессора - то есть, какую материальную часть (например, изготовленную каким производителем) - каждая машина использовала в качестве основного логического оператора.

Возможен целый ряд результатов (см. рис. 2A и 2B). Например, если отложить на оси y процессоры разных производителей, а на оси x - общее количество проверенных ноутбуков, то может оказаться, что распределение процессоров разного производства (т.е. материально различных) будет линейно увеличиваться с количеством проверенных ноутбуков (рис. 2A). Другими словами, по мере роста нашей выборки проверенных деталей ноутбуков количество обнаруженных различных ЦП будет соответственно увеличиваться.

Или - и это, конечно, соответствует реальной ситуации, которую мы обнаружили (см. рис. 2B) - большинство ноутбуков будут содержать процессоры, произведенные либо Intel, либо AMD. В этом случае мы построим линию, наклон которой будет меняться гораздо медленнее, оставаясь практически плоским после подсчета процессоров от Intel и AMD.

Основное обоснование их подхода

Теперь рассмотрим рисунок 3 (ниже) из работы Gagler et al. 2022. Здесь показано основное обоснование их подхода: подсчет "частей" ферментов, классифицированных по EC, в каждом из основных доменов и в метагеномах, а затем построение графика этого подсчета против общего числа EC.

На рисунке 3 также показан их основной вывод. По мере роста пространства ферментных реакций (на горизонтальной оси - общее число ЭК) растет и число уникальных функций (на вертикальной оси - число ЭК в каждом классе ЭК).

Урок, который Гаглер и др. 2022 извлекли из этого открытия? Эта закономерность НЕ обусловлена материальным происхождением от одного общего предка, LUCA. Действительно, под заголовком "Универсальность в масштабе функции ферментов не объясняется универсально общими компонентами" они объясняют, что материальное происхождение от LUCA повлекло бы за собой общие "микромасштабные особенности", то есть "специфические молекулы и реакции, используемые всеми живыми организмами", или "общую химию компонентов в системах". Если использовать аналогию с процессором и ноутбуком, то эта микромасштабная общность будет эквивалентна обнаружению процессоров одного производителя с одинаковыми внутренними логическими схемами в каждом ноутбуке, который мы исследуем.

Но то, что обнаружили Гаглер и др. 2022, было макромасштабной закономерностью, "которая не коррелирует напрямую с высокой степенью микромасштабной универсальности", и "не может быть объяснена непосредственно универсальностью функций базовых компонентов". Соавтор проекта Крис Кемпес из Института Санта-Фе в сопроводительном выпуске новостей описал свой главный вывод в терминах функциональных синонимов: необходимы макромасштабные функции, но не идентичные компоненты более низкого уровня:

"Здесь мы обнаружили, что эти масштабные отношения можно получить без необходимости сохранять точное членство. Вам нужно определенное количество трансфераз, но не конкретные трансферазы", - говорит профессор SFI Крис Кемпес, соавтор статьи. Существует множество "синонимов", и эти синонимы систематически масштабируются".

Как отмечают Гаглер и др. в своей работе:

Важнейший вопрос заключается в том, являются ли выявленные здесь классы универсальности продуктом общего происхождения жизни. Ограничение традиционного взгляда на биохимическую универсальность заключается в том, что универсальность может быть объяснена только в терминах эволюционной случайности и общей истории, что ставит под сомнение нашу способность обобщать за пределами единичного происхождения жизни, как мы ее знаем. ...Вместо этого мы показали, что классы универсальности не коррелируют напрямую с универсальностью компонентов, что свидетельствует о том, что она возникает как макроскопическая закономерность в крупномасштабной статистике функционального разнообразия катализаторов. Более того, универсальность EC не может быть объяснена просто филогенетическим родством, поскольку диапазон общего числа функций ферментов охватывает два порядка величины, что свидетельствует о широком охвате геномного разнообразия.

Похоже на разумный дизайн

Интересно отметить, что эта статья была отредактирована (для PNAS) Евгением Куниным из Национального центра биотехнологической информации. В течение многих лет Кунин в своих работах утверждал, что предполагаемая "универсальность, обусловленная происхождением" неодарвинистской теории больше не работает, в значительной степени из-за того, что он и другие называют "неортологичным перемещением генов" (NOGD). NOGD - это повсеместное использование функциональных синонимов - функций ферментов, выполняемых разными молекулярными субъектами - у разных видов. В 2016 году Кунин писал:

По мере роста базы данных геномов становится ясно, что NOGD охватывает большинство функциональных систем и путей, так что существует очень мало функций, которые действительно "мономорфны", то есть представлены генами из одной и той же ортологичной линии у всех организмов, наделенных этими функциями. Соответственно, универсальное ядро жизни сократилось почти до точки исчезновения... не существует универсального генетического ядра жизни из-за (почти) повсеместного распространения NOGD.

Универсальные функциональные требования, но без идентичности материальных компонентов - звучит как дизайн.