maanantai 23. heinäkuuta 2012

Ensimmäinen täydellinen tietokonemalli eliöstä


Stanfordin yliopiston tutkijat ovat onnistuneet tuottamaan ensimmäisen täydellisen tietokonemallin elävästä organismista. 

Biosuunnittelun (bioengineering) apulaisprofessorin Markus Covertin johtama työryhmä käytti lähteenään yli 900 tutkimusraporttia selvittäessään Mycoplasma genitalium-bakteerin kaikki molekyylitoiminnot. M. genitalium on maailman pienin bakteeri.

Uusi tietokonemalli auttaa tutkijoita selvittämään ongelmia, joita olisi muutoin vaikea tutkia. Se toimii myös ponnahduslautana tietokoneohjatulle suunnittelulle biologian ja lääketieteen alalla.

"Kattavat tietokonemallit elävistä soluista auttavat meitä ymmärtämään solun toimintoja sekä ne tarjoavat uuden näkökulman sairauksien diagnoosiin ja hoitoon." kertoo johtaja James M. Anderson USA:n valtiollisesta terveysvirastosta.


Informaatiosta ymmärrykseen

Valtaosa kokeellisesta biologian tutkimuksesta on lähtökohdiltaan reduktionista: biologit sammuttavat eliöstä yhden geenin ja katsovat mitä tapahtuu. "Monet meitä kiinnostavat asiat eivät kuitenkaan ole vain yhdestä geenistä riippuvaisia, vaan ne johtuvat useiden geenien monimutkaisesta yhteistoiminnasta", sanoo Covert.
Näin tapahtuva biologinen tutkimus on tuottanut valtavasti informaatiota, mutta kukaan ei oikein tiedä miten tästä tietomäärästä saisi aikaiseksi ymmärrettävän kokonaisuuden. Kattavat tietokonemallit auttavat tämän suuren tietomäärän järjestämisessä ja käsittelyssä, joka muutoin olisi ihmiselle mahdotonta. "Et voi ymmärtää miten joku toimii, ennekuin olet valmistanut sellaisen itse", sanoo tutkimusryhmän jäsen Jayodita Sanghvi.


Pieni on kaunista

M. genitalium on vaatimaton bakteeri, jota tavataan ihmisen virtsa- ja hengitysteissä. Sillä on pienin tunnettu genomi - vain 525 geeniä eli huomattavasti vähemmän kuin perinteisellä laboratoriobakteerilla, E. colilla, jolla on 4288 geeniä. Lajin genomin pienuus on tehnyt tästä seksikontaktien välityksellä leviävästä bakteerista  houkuttelevan tutkimuskohteen. Esimerkiksi J. Craig Venter käytti sitä valmistaessaan ensimmäisen synteettisen genomin vuonna 2008. "Tämän tutkimuksen päämääränä ei ole vain ollut ymmärtää M. genitaliumia paremmin, vaan lisätä ymmärtämystämme biologista kokonaisuutena.", sanoo tutkimusryhmän jäsen Jonathan Karr.
Genomin pienestä koosta huolimatta Stanfordin yliopiston tutkijat joutuivat syöttämään valtavan määrän informaatiota virtuaaliseen solumalliinsa. Valmiissa mallissa on yli 1900 kokeellisesti määriteltyä parametria. Näiden erilaisten parametrien yhdistämiseksi yhdeksi koneistoksi, tutkijat jakoivat yksilölliset biologiset prosessit 28:aan erilliseen moduliin, joilla kaikilla on omat algoritminsa. Modulit säännöllisesti kommunikoivat toistensa kanssa muodostaen kokonaisuuden, joka läheisesti muistuttaa M. genitaliumin toimintaa.

Solun tietokonemalli tarjoaa tutkimusmahdollisuuksia, joita olisi vaikea toteuttaa elävillä soluilla, sekä mahdollistaa aikaisempien tutkimustulosten uudelleen arvioinnin. "Jos sinulla on olemassa malli, joka ohjaa kokeitasi, niin silloin löydät uudet asiat nopeammin. Me olemme osoittaneet tämän moneen kertaan." sanoo Covert.


Bio-CAD

Tietokoneavusteinen suunnittelu - CAD - on mullistanut suunnittelutyön tehokkuuden ja tuottavuuden monilla eri aloilla. Mutta biologisten järjestelmien vähäinen ymmärtämisemme on estänyt tämän teknologian käytön biosuunnittelussa. Solujen tietokonemallit, kuten tämä M. genitaliumin malli, voi tuoda älykkään suunnittelun myös biologiaan, mahdollistaen jopa uusien mikro-organismien luomisen. Kysymykseen voisi tulla erityisesti suunnitellut bakteerit tai hiivat lääkeaineiden tuotantoon, Karr visioi.
Bio-CAD voisi joskus tulevaisuudessa tuottaa myös henkilökohtaisesti räätälöityjä lääkkeitä. "Tässä olisi potentiaalia myös uudeksi Ihmisgenomi-projektiksi", Karr sanoo. "Ihmisen tietokonemallin tuottaminen vaatisi todella laajaa yhteistyötä."


Mielenkiintoista. Tutkijat ovat vuosien ponnistelujen jälkeen tulleet siihen tulokseen, että eläviä organismeja voidaan tuottaa älykkään suunnittelun keinoin. Sciencedailyn artikkelissa oli intelligent-sana kuitenkin korvattu sanalla rational. Ehkäpä siksi, että intelligent sana olisi viitannut ID:hen eli älykkääseen suunnitteluun, joka ei tiedeyhteisön mielestä ole tiedettä, eikä Sciencedaily haluaa mitenkään tukea älykkään suunnittelun teoriaa. Jos biologit suunnittelevat kokonaan uusia organismeja, niin eikö se ole tiedettä? Entä voisimmeko me siinä tapauksessa etsiä älykkään suunnittelun merkkejä näistä tuotteista? Olisiko meillä mahdollisuus jollain keinolla tunnistaa biosuunnittelun tuottama organismi älykkään suunnittelun tuotteeksi, vaikka emme tietäisi sitä etukäteen? Ts. emme tietäisi onko organismi ns. alkuperäinen maapallon asukas vai uusi luomus. Ja jos voisimme, niin mitä nämä keinot olisivat? Entä miten me erottaisimme älykkäästi suunnitellut organismit evoluution tuotteista, koska niissä olisi väistämättä hyvin samankaltaisia ominaisuuksia?
 
Mielenkiintoista on myös, että artikkelissa ei viitattu missään vaiheessa evoluutioon, vaikka biologiassa minkään ei pitäisi käydä järkeen muutoin, kuin evoluution valossa, joka yhä kirkkaana loistaa tässä pimeässä maailmassa.



Lähde:

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/07/120721091451.htm

sunnuntai 15. heinäkuuta 2012

Lääketieteellisesti merkittävä laaja proteiiniluokka alkaa paljastaa salaisuuksiaan


Tänä vuonna on julkaistu useita lääketieteellisesti ja biologisesti merkittäviä G-proteiinireseptoreita  [G protein-coupled receptors (GPCRs)] käsitteleviä tutkimusraportteja, jotka ovat lisänneet tietoamme tästä proteiiniluokasta. Tutkimusyhteistyötä on johtanut Scripps Research Instituutin Professori Raymond Stevens-laboratorio.

GPRS:t sijaitsevat solukalvossa ja ne tunnistavat erilaisia solun ulkopuolella olevia molekyylejä, kuten hajut, hormonit, neurotransmitterit ja valon. Sitouduttuaan näihin molekyyleihin GPRS:t käynnistävät erityisen vasteen solun sisällä. Nämä proteiinit ovat myös monien lääkkeiden (allergia-, sydän- ja neurologiset lääkkeet) vaikutuksen kohteena.

Eräs tuoreimmista tutkimusraporteista ( Liu et al., Science, 336, 232 July 13) on A2A adenosiinireseptorin rakenne 1.8 ångströmin resoluutiolla, joka on samalla tarkin kuva ihmisen solukalvon proteiinista. Rakenne korostaa reseptoria ja ligandia allosteerisena koneena, jota ohjaa natrium, vesi, kolestroli sekä rasvat.

Proteiinin kolmiulotteinen atomirakenne on tavallaan sen suurin salaisuus, sillä proteiinin aminohappojärjestyksen tunteminen ei riitä sen toiminnan ymmärtämiseen. Vain tarkan kolmiulotteisen rakennekuvan avulla voidaan proteiinin toimintaa ymmärtää. Mutta kalvoproteiinien rakennetta on vaikea selvittää ja eliölle kaikkein tärkeimpien proteiinien rakenne on vaikeinta selvittää. Useat GPCR:t kuuluvat juuri tähän ryhmään. Ne ovat erittäin hauraita silloin kun ne eivät ole kiinni solukalvossa, jonka vuoksi niiden kuvaaminen esimerkiksi röntgen-kristallografian keinoin on ollut erittäin vaikeaa. Uusien tutkimusmenetelmien ansioista näitä proteiineja on kuitenkin kyetty eristämään ja niiden rakenne sekä toiminta on kyetty selvittämään entistä tarkemmin.

Oheisessa kuvassa proteiini kuvataan monimutkaisena koneena eikä tämä ole mikään yllätys, sillä yhä useampi elävän solun molekyylirakenteista osoittautuu tarkemmissa tutkimuksissa monimutkaiseksi nanokoneeksi, jonka tarkoin säädelty toiminta on parhaiten ymmärrettävissä insinööritieteiden avulla.



Lähde:

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/07/120712162710.htm

perjantai 13. heinäkuuta 2012

ATP-syntaasista uutta tietoa


Bakteerin siimamoottori on ollut eräs älykkään suunnittelun kannattajien lempilapsista, mutta solussa on sille vielä 10 kertaa pienempi vastine, joka on vahva todiste älykkään suunnittelun puolesta. Meidän kaikkien elämä on riippuvainen tästä erittäin tehokkaasta rotaatiomoottorista, jonka pyörivän liikkeen havaitsivat ensimmäisinä japanilaiset tutkijat Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida ja Kazuhiko Kinosita Jr vuonna 1997.

Japanilaiset tutkijat olivat onnistuneet irrottamaan nämä molekyylikoneet bakteereista ja kiinnittämään ne pintaan, jonka jälkeen he kiinnittivät 4 mikronin pituisia proteiinisäikeitä niiden roottoreihin. Kun liuokseen lisättiin ATP-polttoainetta, he näkivät säikeiden pyörimisliikkeen valomikroskoopilla (Jones 2008).

Mitokondrion sisäkalvossa sijaitseva ATP-syntaasi (tunnetaan myös nimellä F0F1-ATPaasi) koostuu sylinterimäisestä, kalvon läpäisevästä varresta (F0) ja matriisin puoleisesta pallomaisesta osasta (F1). Kasvien kloroplastien tylakoidikalvossa on samanlaisia moottoreita. F0-osa sisältää protonikanavan ja F1-osa ATP-syntaasiaktiivisuuden (Heino & Vuento 2001). Pentti Tapanan mukaan ATP-syntaasi "on solun rakenteista ehkä kaikkein merkillisin" (Tapana 2009). Hän myös vertaa sitä polkupyörän dynamoon:

"ATP-syntaasin mekanismia voisi verrata polkupyörän dynamoon... Sylinteri ja akseli muodostavat pyörivän roottorin ja pallomainen pää sitä paikoillaan pitävine varsineen staattorin. Syntaasin rakenne mahdollistaa energian lataamisen ATP-molekyyleihin niin kuin dynamon staattorissa pyörivä roottori (ankkuri) tuottaa sähkömagnetismin lakien mukaan sähköä polkupyörän lyhtyyn."

Alberts et al. kutsuvat ATP-syntaasia ihmeelliseksi laitteeksi ("marvellous device").

Viime kuukausina on Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) julkaissut neljä ATP-syntaasia käsittelevää tutkimusta. Näissä raporteissa ATP-syntaasin viitataan mm. seuraavin termein: nanokone, pyörimisliike, moottori, mekanismi, arkkitehtuuri, mutta yhdessäkään ei juurikaan puhuta evoluutiosta. Mikäli luonnontieteelliset havainnot voidaan selittää insinööritieteiden avulla, niin herää kysymys, mihin kehitysopillista selitystä tarvitaan?

Seuraavassa lyhyet yhteenvedot tutkimusraporteista:

1. Peterson et al., Comparison of the H+/ATP ratios of the H+-ATP synthases from yeast and from chloroplast (PNAS June 25, Open Access), selvittivät protonigradientin tiheyttä suhteessa tuotetun ATP:n määrään verraten tuloksia hiivan mitokondrion ja pinaatin kloroplastin välillä. He havaitsivat verrannollisuuden roottorin "c"-alayksiköiden määrän ja tuotetun ATP:n määrän välillä. Kuten aiemmat havainnot olivat osoittaneet, tämä suhde ei ole kokonaislukusuhde. Tämä viittaa siihen, että osa vapaasta energiasta, joka on talletettu keskusvarren vääntömomenttiin, vaikuttaa kampiakselin tavoin, siirtäen F0-yksikön pyörimisliikettä katalyyttiseen F1-osaan. Vain tässä tutkimusraportissa mainitaan evoluutio.

2. Rees et al.  (PNAS, June 25, Open Access) keskittyivät F1 -osan katalyyttiseen alueeseen, joka koostuu kuudesta appelsiinin lohkoa muistuttavasta osasta. Jokainen lohkopari muodostaa katalyyttisen alueen, jossa ATP muodostuu. Kun keskusakseli pyörii 120° askelin, jokainen kolmesta lohkoparista on erilaisessa tilassa: ottamassa vastaan ADP:tä ja fosfaattia, liittämässä niitä yhteen sekä vapauttamassa valmista ATP-molekyyliä. Tutkimusraportissa "Structural evidence of a new catalytic intermediate in the pathway of ATP hydrolysis by F1-ATPase from bovine heart mitochondria,"
kerrotaan kuinka he eristivät ATP-syntaasit naudan sydänlihaksesta ja seurasivat kuinka ATP-synteesin viimeisessä vaiheessa ATP-molekyyli muodostuu. He löysivät prosessista uuden välivaiheen, jonka mukaan ATP-molekyyli näyttää irtoavan fosfaattiosa edellä. Tutkimusraportissa kuvataan yksityiskohtaisesti kuinka lohkot avautuvat ja sulkeutuvat, ottaen vastaan ADP:n ja fosfaatin tarkasti omiin lokeroihinsa, samalla kun vesi- ja magnesium ionit liikkuvat omille paikoilleen - hämmästyttävää, kuinka nopeasti roottori pyörii (jopa 350 kierrosta sekunnissa, kts PNAS).

3. Hakulinen et al. halusivat tutkia yksityiskohtaisesti koskematonta F0-osaa (roottori ja staattori) bakteerissa. Tutkimusraportissa "Structural study on the architecture of the bacterial ATP synthase Fo motor" (PNAS June 26, Open Access), he totesivat aluksi, että "F-tyypin ATP-syntaasit ovat tarkeimpiä kemiallisesti sidotun energian (ATP) toimittajia elävissä soluissa." Elektronimikroskopialla he selvittivät joitain rakenteita aina 5 ångströmin resoluution asti. Upea projektiokuva näyttää vaihteistoa muistuttavat 11-osaiset roottorin c-renkaat. Parhaimmillaan heidän kuvistaan voi yksittäisiä rakenteita mitata nanometrien osien tarkkuudella. Kasvanut mittausresoluutio on tärkeää, jotta voimme oppia ymmärtämään näiden koneiden toiminnan ja tämä uusi tutkimus on merkittävä virstanpylväs elävien koneiden visualisoinnissa. Näyttää myös siltä, että evoluutio on ollut viimeinen asia, joka on näillä tutkijoilla ollut mielessä.

4. Baker et al. (July 2  PNAS) tutkivat ATP-syntaasin vähiten tunnettuja osia eli staattoria ja muita solukalvoon kiinnittyneitä osia. Tutkimusraportissa "Arrangement of subunits in intact mammalian mitochondrial ATP synthase determined by cryo-EM", ryhmä kuvasi naudan koskemattoman ATP-syntaasin 18 ångströmin tarkkuudella, visualisoiden näiden roottorin avainrakenteiden avaruudellisia suhteita. He myös vahvistivat sen, että ATP-syntaasikoneet aiheuttavat niitä ympäröivän solukalvon kaareutumista.


Molekyylikone on varsin uusi käsite biologian alalla. DNA-rakenteen löytämisen jälkeen biologit pitivät biokemiaa vain erityisenä kemian alana.Vasta 1980-luvun loppupuolella biologit alkoivat puhua proteiineista ja entsyymeistä koneina. Koneita voidaan ymmärtää vain insinööritieteiden avulla, jolloin on loogista ajatella niiden olevan myös insinöörin tuottamia.


Lähteet:

http://www.evolutionnews.org/2012/07/the_other_rotar061761.html

http://www.nature.com/nature/journal/v386/n6622/abs/386299a0.html

Alberts, Bruce & Johnson, Alexander & Lewis, Julian & Raff, Martin & Roberts, Keith & Walter, Peter (2008): Molecular Biology of the Cell, 5th edition, Garland Science, New York.
  
Heino, Jyrki & Vuento, Matti (2001): Solubiologia, WSOY

Jones, Richard A L (2008): Pehmeät koneet, Terra Cognita

Tapana, Pentti (2009): Elävä solu, Gaudeamus

lauantai 7. heinäkuuta 2012

Ligniinienigma


Ligniini on maailman toiseksi yleisin biopolymeeri, sillä puussa on selluloosan jälkeen eniten ligniiniä eli n. 20-30 %. Useat eliöt (sienet, bakteerit ja alkueliöt eli protistit) kykenevät käyttämään selluloosaa energialähteenään, mutta yksikään eliö ei kykene käyttämään ligniiniä ainoana energialähteenään. Itse asiassa eliöt joutuvat käyttämään energiaa sen hajottamiseen.

Sitä miten tällaiseen tilanteeseen on päädytty pohditaan uudessa Bio Complexity-artikkelissa:

"Ottaen huomioon sen suuren määrän (luonnossa) ja korkean energiapitoisuuden (40% korkeampi kuin selluloosan painoyksikköä kohti), on hämmästyttävää, että yksikään eliö ei näytä käyttävän sitä hyväkseen energialähteenä."

Miksi luonto on jättänyt käyttämättä tämän runsaan energialähteen? Evoluutio on tässä tapauksessa mitä ilmeisemmin epäonnistunut luomaan varsin yksinkertaista innovaatiota - ligniinin perustuvaa kasvua - vaikka sillä on ollut aikaa yli 400 miljoonaa vuotta. Kuitenkin samaan aikaan se on kehittänyt muita teknisesti korkeatasoisia biokemiallisia järjestelmiä (kasvien ja bakteerien symbioosi [typen fiksaatio],  symbioottiset pölytysjärjestelmät [kasvit, mehiläiset ja kolibrit], lihansyöjäkasvit ja C4 fotosynteesi.)

Tekijät jatkavat:

"Kuinka yksi mekanismi (darwinismi) on ollut samaan aikaan sekä erittäin kyvykäs että erittäin kyvytön? Tämä jännite katoaa välittömästi, mikäli asiaa tarkastellaan suunnittelunäkökulmasta. Maapallon eläimet ovat riippuvaisia kasveista, jotka ovat riippuvaisia maaperästä, joka on erityisen riippuvainen ligniinin vähittäisestä valo- ja biohajoamisesta. Sienet suorittavat ligniinin biohajottamisen ja se hämmästyttävä tosiasia, että ne tarvitsevat siihen energiaa, pitää prosessin vähittäisenä. Ligniinin omituiset ominaisuudet ovat siten ymmärrettäviä, kun ne nähdään kokonaisen ekosysteemin suunniteltuna osana."

Eli ekosysteemin ja elämän kannalta on parasta, että ligniinin käyttö energianlähteenä on vaikeaa, jolloin sen hidas hajoaminen on mahdollista!

"Tiedämme, että humus, joka muodostaa maaperän orgaanisen aineksen, kertyy hitaasti kasvien hitaan hajoamisen tuloksena ja tiedämme että ligniini pitää hajoamisen hitaana. Ilman ligniiniä, kasvien hiilihydraatit hajoaisivat liian nopeasti, jotta maaperä säilyisi suotuisana kasvualustana eikä nykymuotoinen elämä olisi mahdollista. Vain ligniiniä sisältävässä maailmassa voi olla rikas kasvilajisto ja ilman sitä ei monimuotoista eläimistöäkään voisi olla."
.
.

"Ehkäpä omituisin piirre on se, että Darwinin teoria on kykenemätön selittämään vallitsevaa tilannetta, joka muuten on täysin järkeenkäypä. Jos elämä on älykkään suunnittelun tulosta, niin silloin järkevää tarkastella suunnitelmaa kokonaisuutena - ei pelkästään molekyylien, solujen, elinten ja eliöiden toimintoina - vaan kokonaisen  ekosysteemin toimintona."

Jos kehitysoppi on totta, niin on suorastaan uskomatonta, että empiiriset havainnot ovat paremmin selitettävissä suunnitteluargumentilla, jota suurin osa tieteentekijöistä ei pidä edes tieteenä. Kyllä maailma on ihmeellinen, kun pseudotiede selittää asioita tiedettä paremmin!


Lähteet: