sunnuntai 12. toukokuuta 2013

Evoluutio on havaittu ATP-syntaasissa


Tutkijat ovat havainneet mutaatio-valinta-mekanismilla tapahtuvaa evoluutiota alkalifiilisen bakteerin (Bacillus pseudofirmus OF4) ATP-syntaasissa. Tutkimus on julkaistu PNAS-tiedelehdessä.

ATP-syntaasi ja erilaisia c-rengasrakenteita. (pnas.org)

ATP-syntaasissa tapahtuneiden mutaatioiden on havaittu auttavan Bacillus pseudofirmus OF4-bakteeria selviytymään hyvin alkalisessa elinympäristössä. Muuttunut ATP-syntaasi toimii tehokkaammin.

ATP-syntaasi valmistaa solupolttoainetta eli  ATP:ta (liittämällä epäorgaanisen fosfaatin ADP:hen [ADP+Pi]) ja se on eräs solun hienoimmista rakenteista: protonigradientin voimalla toimiva pyörintämoottori.

Mutta millaisia muutoksia ATP-syntaasissa on havaittu? Mutaatiot aiheuttavat muutoksia ATP-syntaasin c-renkaassa, joka toimii moottoria pyörittävänä roottorina. Pyörimisliike välitetään F1-osaan, jossa ATP:ta valmistetaan.

C-rengas koostuu useista samanlaisista alayksiköistä (subunit), joiden määrä vaihtelee lajikohtaisesti 5 - 17 välillä. Tämän kaltaisilla bakteereilla niitä on yleensä 12, mutta alkalifiilillä niitä on 13.

Yleensä alayksiköissä on glysiini-toistojaksoja (GxGxGxG), mutta Bacillus pseudofirmus OF4-bakteerista tutkijat löysivät glysiinin paikalta alaniinia, jolloin toistojakso on muuttunut muotoon AxAxAxA. Tämän seurauksena c-rengas alayksiköitä on 13 eli yksi enemmän kuin normaalisti ja se tekee c-renkaasta tiukemmin istuvan (eli konemiesten termeillä ilmaistuna toleransseja kavennetaan, mutta ei liikaa, jotta roottori ei kuumene liikaa ja/tai leikkaa kiinni).

Alkalisessa ympäristössä protonit eivät oikein viihdy, joten heikentynyttä protonigradienttia kompensoiva muutos ATP-syntaasissa on varmasti tervetullut eli (luonnon)valinnalle mieleen.

Glysiini ja alaniini ovat yksinkertaisimpia aminohappoja. Glysiinissä on vety (H) sivuryhmänä ja alaniinissa sivuryhmänä on metyyliryhmä (CH3). Kummankin aminohapon kodonit ovat hyvin samankaltaisia. Glysiiniä koodaavat GGU, GGC, GGA ja GGG sekä alaniinia GCU, GCC, GCA ja GCG. On selvää, että pistemutaatio, esimerkiksi GGU -> GCU vaihtaisi aminohapon.

Tutkijoiden mukaan mutaatio on tapahtunut kohdassa, jossa usein tapahtuu mutaatioita (mutational hotspot). Mutaatioiden on kuitenkin pysyttävä toiminnallisuuden rajoissa, sillä lisämutaatiot tekevät c-renkaasta epävakaan (destabilize).

Mutaatio on hyödyllinen  vain mikäli ympäristön pH on yli 10, koska neutraalissa ympäristössä elävillä bakteereilla glysiinitoistojaksot ovat säilyneet.

Tässä tapauksessa pieni muutos proteiinissa on saanut aikaan pienen muutoksen toiminnallisessa rakenteessa (ATP-syntaasi), joka on hyödyllinen tietyssä elinympäristössä. Muutos ei kuitenkaan antanut bakteerille uutta toimintoa, vaan hienosääti olemassaolevaa toimintoa. Eikä suuri muutos olisi edes mahdollinen, sillä c-renkaan kunnollinen toiminta on elintärkeää bakteerille.

Havaittu muutos ei myöskään osoita, että mutaatio-valinta-mekanismi voisi selittää c-renkaan, ATP-syntaasin, mitokondrion tai solun olemassaolon.


Lähde:

http://www.evolutionnews.org/2013/05/evolution_found071671.html


4 kommenttia:

  1. Miten tämä muutos vaikuttaa bakteerin mahdollisuuksiin vähemmän alkalisessa ympäristössä?

    VastaaPoista
  2. Hei Miika,

    Kiitos kysymyksestä!

    Muutos näyttää olevan epäedullinen vähemmän alkalisessa ympäristössä, koska siinä ympäristössä elävillä bakteereilla glysiinitoistojaksot ovat säilyneet. Tällöin niiden c-renkaassa on vain/enintään 12 alayksikköä.

    Ilmeisesti "tiukemmmin sovitettu" c-rengas ei kykene hyödyntämään suurempaa protonigradienttia. Ehkäpä ATP-syntaasin pyörintänopeus on tällöin hieman hitaampi, kuin vähemmillä c-renkailla varustettuna ja sen vuoksi myös ATP:n tuotanto olisi vähäisempää. ATP:n tuotanto on riippuvainen ATP-syntaasin pyörimisnopeudesta, joten pienikin muutos pyörintänopeudessa voi merkittävästi vaikuttaa solun energiatalouteen, kun ATP-syntaaseja on satoja tai tuhansia.

    VastaaPoista
  3. Eli sellaisessa ympäristössä, jossa ph-taso vaihtelee, kyseinen muutos ei tuo selviytymiseen välttämättä mitään etua vaan joissakin tapauksissa ehkä jopa haittaa?

    VastaaPoista
  4. Ilmeisesti juuri näin, kuten totesit, mutta tämä on kuitenkin mutkikkaampi tapaus kuin stabiili pH. Selviytymiseen vaikuttaa tietysti se mikä on pH-tason vaihteluväli ja taajuus. Ilmeisesti olisi mahdollista haarukoida pH:n vaihtelumuoto, jossa oleellista eroa ko. geno/fenotyyppien välillä ei olisi.

    VastaaPoista