Генетика
Креацентр > Статті > Генетика > Оптимізація генетичного коду

Оптимізація генетичного коду

Частина 1

Генетичний код у тому вигляді, в якому ми його знаходимо в природі, — канонічний код, — виявився досить оптимальним за різними критеріями. Зазвичай вважається, що генетичний код був оптимізований у ході еволюційного процесу (для різних цілей). Ми оцінюємо це твердження й знаходимо його бажаним. Ми визначаємо труднощі, пов'язані із трьома родинами пояснень, знайдених у літературі відносно того, як нинішня конвенція 64 → 21 могла виникнути в результаті природних процесів.

123rf.com/SergeySundikov

Порядок амінокислот у білках визначається інформацією, закодованою на генах. Існує більш 1,51 × 1084 можливих генетичних кодів1, заснованих на зіставленні 64 кодонів із 20 амінокислотами й сигналом «стоп»2 (тобто 64 → 21). Походження генетики на основі коду є для еволюціоністів цілковитою загадкою,3 оскільки для цього потрібна велика кількість складних машин, які не зводяться: рибосоми, РНК-і ДНК-полімерази, аміноацил-тРНК-синтетази (aaRS), фактори термінації і т. д. Ці машини складаються здебільшого з білків, що створює парадокс: для обробки закодованої інформації необхідні десятки неспоріднених білків (плюс кілька спеціальних полімерів РНК). Без них генетичний код не буде працювати, але генерація таких білків вимагає, щоб код був функціональним.

Це один з багатьох прикладів дилем «курка та яйце», з якими стикаються матеріалісти. Іншою причиною є необхідність надійного джерела АТФ для полімеризації амінокислот у білки: без необхідних білків і генів, які вже існують, такі молекули АТФ не будуть утворюватися. Крім того, будь-який генетичний реплікатор потребує надійної «сировини» з нуклеотидів і амінокислот, але деякі з метаболічних процесів, які використовуються клітинами, взаємопов'язані. Наприклад, до того часу, поки різні амінокислотні біосинтетичні мережі не стануть функціональними, нуклеотиди не зможуть метаболізуватися. Ось деякі з причин, по яких ми вважаємо, що природні процеси не виробляли генетичний код поетапно. Ми сподіваємося надати докладний аналіз мінімальних компонентів, необхідних для роботи генетичного коду в наступній статті, але це не та тема, яку ми хочемо розглянути тут.

Література сповнена робіт, в яких стверджується, що універсальний код4 еволюціонував із плином часу й, у якомусь сенсі, зараз набагато краще, ніж раніше, можливо, навіть близький до оптимального. Ми не можемо розглядати тут всі моделі й твердження, але ми сподіваємося представити кілька думок, які, як ми сподіваємося, покажуть, що ці твердження є польотами фантазії». До цього часу не було запропоновано жодного реального працездатного механізму 1,3 у відношенні того, як більш проста генетична система могла б різко збільшити складність і стійкість до мутацій. Якби був запущений примітивний реплікатор, всупереч всієї хімічної логіці, можна було б, у відповідності з різними еволюційними сценаріями, удосконалити систему, щоб генерувати 64 кодону → 20 амінокислот + «стоп» сигнал, що використовується стандартним генетичним кодом?

Походження будь-якого генетичного коду

Перш ніж еволюційний процес зможе оптимізувати код, який репліцирує форма життя повинна спочатку існувати з деякими можливостями обробки інформації. Треворс і Абель опублікували одну з найбільш чесних робіт3 з питань, що стоять перед натуралістичним поясненням походження життя. Зокрема, незрозумілим визнається походження системи зберігання й обробки інформації, здатної спрямовувати синтез білків. За їхніми власними словами «... досі жодна стаття не забезпечила правдоподібного механізму для написання алгоритму природного процесу».5 Абель добре відомий своїми спробами знайти природне походження генетичного коду й натуралістичним поясненням походження життя. Він і фонд «Походження життя» (The Origin-of-Life Foundation, Inc. ®) пропонують постійну пропозицію у розмірі 1 мільйона доларів кожному, хто надасть правдоподібне природне рішення.6 В різкому контрасті з прямимою пропозицією в цій статті3 є велика кількість робіт про походження життя, в яких немає ніякої впізнаваною хімії і не пропонують ніякої концептуально нездійсненного шляху, як перейти від їхніх невизначених понять до існуючих генетичних систем.

Існує три основних підходи7, використовувані матеріалістами для пояснення 64 → 21 карти генетичного коду: (I) хімічні/стереохімічні теорії, (II) розтоків біосинтетично пов'язаних амінокислотних шляхів і (III) еволюція й оптимізація природним відбором для запобігання помилок. Є логіка в тому порядку, в якому ми представляємо ці три підходи.

(I) ближче всього до питання про природне походження біологічного реплікатора.

(II) вже потрібна наявність великого числа складних та інтегрованих біохімічних мереж. Спроби пояснити відображення коду 64 → 21 на цьому рівні явно означали б ігнорування питання про те, звідки взялися всі ці молекулярні машини й гени.

(III) еволюційні гіпотези для пояснення 64 → 21 карти на цьому рівні зажадали б припущення, що всі 20 амінокислот вже присутні в генетичному коді й що більшість генів вже кодують високооптимізовані білки.

(I) Хімічні/стереохімічні теорії

Всі пропозиції в цій області припускають якусь просту стартову систему, керуючись природними хімічними процесами. Ці примітивні системи потім накопичили величезну кількість складності й витонченості.

Були зроблені спроби знайти прямі хімічні взаємодії між частинами РНК і амінокислотами.8 Передбачається, що вони призвели до генетичних кодів. Амінокислоти можуть переважно зв'язуватися із своїми родинними кодонами,9 антикодонами,10 зворотними кодонами,11 подвійними спіралями кодон-антикодон12 або іншими хімічними структурами.

Визнавши, що «існує мало доказів селективного зв'язування амінокислот з ізольованими кодонами або антикодонами», Альберті13 припустив, що ланцюги мРНК будуть взаємодіяти зі спеціальними ланцюгами тРНК, а короткі пептиди будуть прикріплюватися саме до цих тРНК. Будучи тепер зведені близько один до одного, короткі пептиди будуть полімеризовані з утворенням білків. Ряд кофакторів стабілізує взаємодія тРНК-мРНК, з рештою перетворюючись на рибосоми. Інший набір кофакторів зменшив би кількість амінокислот, необхідних для забезпечення специфічної взаємодії з різними тРНК, що сьогодні робиться aaRS.

Заперечення. Жодне з повідомлень в цій області не показує будь-якої послідовної асоціації між кодонами й амінокислотою, очікуваної на основі генетичного коду.14 Широке розмаїття хімічних систем, розумно представлених у різних сценаріях, не може бути виправдане вільними природними умовами, і надмірна свобода існує в інтерпретації таких моделей, підриваючи значущість будь-якої конкретної.7 Тому часто стверджується, що початкові хімічні взаємодії більше не можуть бути ідентифіковані за допомогою існуючих кодуючих призначень генетичного коду, але що такі передбачувані взаємодії, можливо, запустили процес.16


Малюнок 1. Як працює генетичний код. Три специфічних нуклеотиди (антикодон) на тРНК взаємодіють зі своїм родинним кодоном на мРНК, тим самим додаючи правильну амінокислоту в зростаючий білковий ланцюг. Послідовність нуклеотидів у кожному коді на мРНК визначає, яка тРНК приєднається, і це визначає порядок амінокислот, які повинні складатибілок. Кожна тРНК заряджається аміноацил-тРНК-синтетазою, використовуючи АТФ (не показано).

Передбачається, що амінокислоти, створені в абіотичних умовах, були вперше введені в примітивному коді.17 Але, оскільки все, крім гліцину, входить у дзеркальні форми d йl18, таке джерело амінокислот призведе до хаосу.Крім того, 3 хіральних атомиСу рибозі у РНК будуть виробляти ще більше стереоізомерів у вільній природі. Крім того, твердження17,19 що амінокислоти, знайдені в експерименті Міллера, були б першими, які будуть використані генетичним кодом, робить ідіота20із читача, який приймає це, оскільки геологи сьогодні вважають, що гази, які використовуються в таких експериментах, не мають відношення до передбачуваної ранньої атмосфери.18,21,22 Наступні експерименти з більш розумними газовими сумішами дали дуже мало органічного матеріалу й практично ніяких амінокислот узагалі.18,23,24

 В даний час порядок, в якому амінокислоти повинні полімерізуватися не повідомляється генетичним кодом через прямі амінокислотні взаємодії з ДНК або РНК-полімерами. Трансферна РНК використовується для зіставлення кодонов з їхніми специфічними амінокислотами. Три специфічних нуклеотиду (антикодон) є частиною молекул тРНК, і вони швидко взаємодіють із своїми родинними кодонами на мРНК. На малюнку 1 показано, як специфічні кодон-антикодонні взаємодії визначають, яка амінокислота кодується нуклеотидним триплетом мРНК. Кодон-антикодонні взаємодії повинні бути достатньо слабкими, щоб дозволити поділ, коли воно більше не потрібно, але з достатньою специфічністю для запобігання неправильного зв'язування. Але відсутність додаткових механізмів, таких як рибосоми, які допомагають утримувати все на місці, взаємодія між кодонами й антикодоном адаптера була б надто слабкою, щоб мати якусь цінність. Таким чином, до віддаленої та фізико-хімічно не пов'язаної частини адаптера тРНК повинна бути приєднана специфічна амінокислота (із споживанням високоенергетичної молекули АТФ) (мал.1)

Яким чином природа перейшла від вихідної системи, що включає хімічну або фізичну взаємодію амінокислоти й («ААі») (де й являє собою версію 1, 2, 3...) з тринуклеотидом РНК i («codonі»), до поточної схеми, заснованої на адаптері й («adapі»)? Тепер дві речі повинні відбуватися одночасно (див. малюнок 1). Одна частина даного адаптера під номером і, adapі, повинна замінити початкову взаємодію ААі/codonі, а до другої частини adap1 тепер повинен бути приєднаний той же AA; (малюнок 2). Вони не можуть відбуватися послідовно, оскільки обидва види зв'язків повинні відбуватися одночасно, якщо необхідно зберегти примітивний «код», заснований на прямій, взаємодії. Оскільки просторові відносини з іншими амінокислотами тепер сильно відрізняються, будь-які хімічні реакції з іншими амінокислотами більше не можуть відбуватися. Це означає, що всі амінокислоти для взаємодії з шаблоном повинні бути замінені одночасно! Не можна мати змішану стратегію, оскільки тоді може утворитися тільки частина передбачуваного вихідного поліпептиду.

Малюнок 2. Еволюція від прямої взаємодії амінокислоти з матрицею до молекули адаптера. Стверджується, що амінокислоти37 спочатку фізично взаємодіяли зі специфічними триплетними нуклеотидними послідовностями, утворюючи стародавню основу генетичного коду. Подальша вставка молекули адаптера, такої як тРНК, вимагає закріплення одного кінця адаптера у вихідному місці взаємодії амінокислот, і ця амінокислота тепер повинна бути ковалентно пов'язана з іншою частиною адаптера. Зверніть увагу, що не потрібно ніякого конкретного виду взаємодії (наприклад, утворенняскладноефірного зв’язка між матрицею та амінокислотою), поки існує сильна перевага взаємодії між конкретною амінокислотою та деякою унікальною послідовністю нуклеотидних кислот.

Малюнок 3. Молекула адаптера повинна задовольняти різними геометричними обмеженнями. Амінокислоти повинні бути приєднані до молекул-адаптера (наприклад, тРНКі) таким чином, щоб утворювалися пептидні зв'язки. Як показано тут, амінокислоти не можуть реагувати один з одним, так як дві амінокислоти занадто розділені. У відсутність складної молекулярної машини, такої як рибосома, немислимо, щоб тільки окремі молекули-адаптери могли змусити амінокислоти, які реагують, мати відповідну геометрію для утворення правильного виду хімічного зв'язку.

Малюнок 4. Молекули-адаптери повинні надійно згортатися, щоб привести амінокислоти, що реагують, та споріднені кодони в правильну геометрію. (А) — приблизна форма згорнутих молекул тРНК. Пари підстав у стратегічних місцях утримують різні види зброї разом, що дозволяє розпізнавати механізм aaRS і надійно взаємодіяти з родинними кодонами мРНК. (B) і (C) являють собою гіпотетичні нитки РНК, які не згортаються послідовно в надійні структури або форми, що не підходять для адаптера.

Якщо спадковий реплікатор надійно функціонував без адаптера, то нова система, що використовує безліч спеціалізованих молекул-адаптерів, повинна бути, щонайменше, настільки ж ефективною негайно, інакше колишня система перевершить нову еволюційну спробу. Це означає, що приєднання ААі до adapі має бути дуже надійним, як і у випадку сучасних аміноацил тРНК-синтетаз. Не зважаючи на все інше, це вимагає надійного джерела різних адаптерів i=1,2,3 ... (adap1) протягом «життя» цього «організму» і протягом подальших поколінь». Зокрема, всі ці адаптерні послідовності повинні бути негайно послідовно й у великих кількостях метаболізовані для функціонування нової схеми кодування.

Молекули адаптера повинні задовольняти кільком структурним вимогам. Місце, де амінокислота й приєднана до свого рідного тРНКі, має бути на прийнятній відстані, щоб полегшити утворення пептидного зв'язку (малюнок 3). Кожен вид молекули-адаптера повинен надійно складатися в узгоджену тривимірну структуру, яка здатна привести амінокислоти, що реагують, та споріднені кодони в правильну геометрію по відношенню один до одного (мал.4). У тРНК це досягається стратегічно розташованим базовим спарюванням і нитками РНК потрібної довжини.

Навіть якщо два набори комплексів тРНК-амінокислот повинні були бути пов'язані одночасно десь уздовж матриці, вони не будуть утворювати пептидний зв'язок у відсутність ретельно розробленого механізму трансляції. Якщо адаптери не будуть ретельно сконструйовані, вони будуть переплітатися один з одним і з матричними триплетними нуклеотидами (мал. 5). Навіть якщо ці теоретичні адаптери можуть утримувати дві амінокислоти досить близько, щоб реагувати, ендотермічна пептидо-утворююча реакція не буде відбуватися спонтанно. Утворення пептидного зв'язку в живих організмах обумовлено високоенергетичними складноефірними зв'язками між амінокислотами і тРНК з допомогою аміноацил-тРНК-синтетаз. Теоретичних адаптерів, які просто утримують реагенти фізично близько один до одного, недостатньо. Якщо в рідкісних випадках дійсно утворюється пептидний зв'язок, то отримана молекула, ймовірно, залишиться ковалентно пов'язаною з однією з адаптерів (мал.6). Одна з вимог до конструкції рибосом полягає в тому, щоб переміщати мРНК вперед храпоподібним способом, від'єднуючи тРНК, амінокислота якої вже була використана. Для цього енергія забезпечується ГТФ-зв'язуючим білком, і використовується складна схема видалення кінцевого поліпептиду з мРНК. Ця вимога також була упущена з уваги в поданій концептуальній моделі.

Малюнок 5. Якщо адаптери, що еволюціонують, не будуть ретельно спроектовані, то вони будуть переплітатися разом з матричними триплетними нуклеотидами. РНК, ДНК або інша цукрова матриця явно не допускають інші теоретичні хімічні пропозиції. HOOC-Хі-NH2 являють собою амінокислоти, де i = від 1 до 20, а Хі = CHRі (Rі — бічні ланцюги).

Малюнок 6. Без рибосоми дипептиди утворюються рідко. Якщо дипептид повинен утворитися, то він залишиться ковалентно пов'язаним з одним з адаптерів. РНК, ДНК або інший шаблон цукру явно не передбачається, щоб дозволити інші теоретичні хімічні пропозиції. HOOC-Хі-NH2 являють собою амінокислоти, де i = від 1 до 20, а Хі = CHRі (Rі — бічні ланцюги).

Якщо б, незважаючи на вищенаведені спостереження, поліпептиди почали утворюватися; внутрімолекулярні реакції, в яких карбоксильна кінцева частина однієї амінокислоти зв'язується з аміногрупою іншої амінокислоти в зростаючого ланцюга, домінували б (мал. 7). Це просто тому, що вони знаходяться близько один до одного і, ймовірно, будуть реагувати один з одним, перш ніж інші амінокислоти з'являться, щоб збільшити довжину ланцюга. Механізм рибосоми розроблений, щоб запобігти цьому.

Малюнок 7.Амінокислоти піддаються внутрішньо-молекулярним реакціям, якщо їх спеціально не обмежувати. Карбоксильна кінцева частина зростаючого пептиду майже завжди буде реагувати з аміногрупою на іншому кінці, утворюючи внутрішньо-молекулярний амід. n представляє собою дві або більше амінокислоти. HOOC-Xі-NH2 являють собою амінокислоти, де i = від 1 до 20, а Xі = CHRі (Rі— бічні ланцюги).

 Крім того, пептидні зв'язки, що включають бічні ланцюги амінокислот, також можуть утворюватися, що призводить до утворення складних і біологічно непотрібних сумішей. Наприклад, аміногрупи (-NHR) присутні на бічних ланцюгах амінокислот триптофану, лізину, гістидину, аргініну, аспарагіну й глутаміну і можуть вступати в реакцію з карбоновими кислотними (- COOH) групами інших амінокислот. Це особливо вірно, якщо передбачається, що спекотні умови дозволяють утворювати пептидні зв'язки. І навпаки, деякі бічні ланцюги також містять карбонові кислоти (аспартат і глутамат), які можуть утворювати аміди з будь-якою аміногруппою. Дуже складні частини механізму рибосоми були розроблені для запобігання таких небажаних побічних реакцій, утримуючи функціональні групи точно на місці, щоб направляти пептидні реакції, і ізолюючи функціональні групи, які не повинні реагувати один з одним. Саме ця проблема є реальною проблемою для автоматизованої хімії синтезу пептидів,яка використовується сьогодні, що вимагає складних стратегій блокування бічного ланцюга для забезпечення правильних реакцій подовження пептиду.

Альберті, згаданий вище,13 надав інший сценарій: адаптер є частиною генетичного апарату з самого початку. В принципі, треба вважати, що мРНК, рибосоми, амінокислоти і тРНК всі об'єдналися вже давно з мінімальною складністю. Потім еволюція зробила ряд непевних кроків, наближаючись до дива, в результаті чого з'явився генетичний код. Первісна система якимось чином додала безліч молекулярних інструментів і була налагоджена. Будь-яка інша еволюційна модель, заснована на таких передумовах, у багатьох деталях буде дуже схожа на те, що він пропонує. Необхідні подальші етапи мають відбутися, якщо ці припущення використовуються. Тому варто присвятити деякий час роздумам про те, чи можуть різні процеси відбуватися природним чином. Наші зауваження обов'язково відносяться й до інших можливих варіантів основної тези.

Малюнок 8. Передбачається, що коеволюція тРНК, мРНК і поліпептидів призвела до генетичного коду. Передбачається, що різні пептиди здатні унікально взаємодіяти з послідовно-специфічноютРНК, яка сама є основою пар у певній частині мРНК. «α» — це поліпептиди альфа-спіралі. (A) передбачається, що сформувалися специфічні для послідовності взаємодії між спадковими Т-РНК і частинами пептидів, а також між цими тРНК і більш довгими областями мРНК.(B) передбачається, що різні послідовності специфічних тРНК приєднуються до частин мРНК, тим самим зближуючи їхні приєднані амінокислоти. (C) передбачається, що реакція трансетерифікації між пов'язаними з тРНК пептидами сталася у спадковому генетичному коді. (D) показано вивільнення тРНК, до якої більше не приєднана амінокислота, що дозволяє проводити подальшу полімеризацію. (Альберті13).

Основне поняття представлено на малюнку 8. На практиці ми покажемо, що практично жодне з необхідних тверджень у таких сценаріях не спрацює. Від початку йдо кінця зловживають хімічними та фізичними реаліями.

1. Природа не виробляє стереохімічно чистих поліпептидних і полірибонуклеотидних ланцюгів. Таким чином, немає ніякого способу, щоб ініціювати мінімально функціональний прото-код. По-перше, існує проблема джерела оптично чистих26 вихідних матеріалів. По-друге, у водному розчині максимум 8-10 РНК-заходів можуть бути полімеризовані,27 та поліпептидні ланцюги будуть ще коротше, навіть після оптимізації температури, тиску, рН та концентрації амінокислоти, плюс додавання CuCl2 і швидке уловлювання поліпептиду в холодильній камері.28,29 Реагенти були б надзвичайно розбавлені, оскільки термодинамічний напрямок складався б у зворотному гідролізі вихідних матеріалів.

Альтернативні, неводні середовища, такі як сторона сухого вулкана, були б хімічно безперспективні. Якщо б у сухих, гарячих умовах реакції, були присутні оптично чисті нуклеотиди та амінокислоти, то утворилися б більш великі молекули. Але в результаті вийшов би«бруд» або смола, так як утворилася б складна суміш тривимірних непептидних зв'язків.30

2. Переважна більшість випадкових ланцюгів амінокислот, навіть якщо вони оптично чисті, не завжди утворюють складні вторинні структури, такі як α-спіралі, як це передбачається (мал.8).13 Звичайно, вірно, що альфа-спіралі специфічних існуючих білків дійсно взаємодіють на певних ділянках ДНК; але це не є ані випадковістю,ані універсальною особливістю, а обумовлено точно підібраним набором просторових і електростатичних відносин, призначених для виконання регуляторної функції.

3. Велика колекція мРНК і тРНК необхідна одночасно й в одному місці. І вони повинні надавати чи передавати інформацію для визначення послідовностей білків! Зрізи мРНК повинні мати точні послідовності, і комплементарні тРНК до основи-пари з ними вже повинні бути доступні. Мало того, що послідовності повинні бути правильними, їхній порядок відносно один одного також повинен бути правильним. І таких мРНК має бути велика кількість, так як потрібно багато різних білків. З палітрою тільки чотирьох нуклеотидів (nt) навіть крихітний ланцюг із 300 нуклеотидів пропонує 4300, або 4 × 10180 альтернатив (ігноруючи всі структурні ізомери, які також могли б утворитися), переважна більшість з яких було б марним. Який же природний процес тоді міг організувати або запрограмувати мРНК і створити необхідні тРНК?

Це фатальний недолік у таких моделях. Частка випадкових поліпептидів, заснованих на 20 амінокислотах, які здатні звести до мінімуму надійність, щоб запропонувати шанс отримання корисного білка, мізерна,31,32 приблизно одного з 1050. Щоб забезпечити необхідну інформацію для генерації одного з корисних варіантів, щось повинно організувати порядок підстав (A,G,C і T) в мРНК. Але в природі немає нічого такого, що могло б організовувати нуклеотиди в інформаційно значущі послідовності.

4. Всі різні пептиди, які повинні бути сконденсовані разом, повинні бути присутніми. Звідки вони взялися? Альберті пише: «Відносно короткі пептиди (принаймні, до 17 м) розпізнають короткі специфічні послідовності дволанцюжкової РНК або ДНК».33 Середовище дволанцюжкового ланцюга пропонує набагато більш корисні фізико-хімічні патерни для розпізнавання, ніж одноланцюжкова тРНК у моделі, і навіть тоді це буде становити приблизно одну правильну послідовність з 1022 (= 2017). Звідки взялися ці пептиди, і як вдалося уникнути утворення переважної більшості небажаних пептидів? Зверніть увагу, що необхідні пептиди будуть мати різну довжину, залежно від того, що необхідно розпізнати на конкретній тРНК.

Малюнок 9. Пептиди не завжди будуть зв'язуватися в одному й тому ж місці однієї і тієї ж тРНК. Можуть відбуватися багато видів взаємодії між тРНК і пептидами. Наприклад, утворення складного ефіру з використанням вільної ОН-групи в рибозі може відбуватися в багатьох альтернативних положеннях. А, В і С ілюструють три приклади.

5. Будь то через складноефірний зв'язок, слабкі водневі зв'язки чи інші взаємодії, без специфічного спарювання підстав, опосередкованого нуклеотидними полімерами, всі незліченні різновиди поліпептидів не будуть послідовно зв'язуватися в одному й тому ж місці на тРНК-подібної молекули. Наприклад, будь-яка вільна гидроксильна група рибози може вільно реагувати з карбоксильною групою пептиду, утворюючи складний ефір. Також можуть мати місце всі види ван-дер-ваальських або водневих взаємодій (мал. 9). Тому місце розташування пептиду не буде надійно визначено яким-небудь конкретним кодоном матриці мРНК.

6. Взаємодія мРНК-тРНК саме по собі не є надійною, вимагаючи значної кількості слушно розташованих пар підстав між цими ланцюгами, особливо у відсутність якого-небудь механізму репарпції, на довгих ділянках, що абсурдно. Часто на тРНК і мРНК будуть внутрішні одноланцюгові петлі (малюнок 10). Це буде перешкоджати тому, щоб єдиний кодон на мРНК визначив, унікально й надійно, місце передбачуваного поліпептиду, приєднаного до тРНК.

Малюнок 10. Недосконале спарювання підстав між первинними ланцюгами мРНК-тРНК призвело б до змінних розміщень амінокислоти, пов'язаної зі спадковою тРНК. Різні спадкові нитки тРНК і мРНК випадково можуть утворювати пари в різних місцях. Природа не випадково забезпечила області обох молекул, які просто опинилися б ідеально підходящими для пари підстав у потрібних місцях, і одночасно забезпечила б область на тРНК, у якої правильний поліпептид міг би взаємодіяти переважно. Недосконале спарювання підстав і збігу призвели б до внутрішніх петель на тРНК і на мРНК. Будь-яка амінокислота або поліпептид, приєднані до тРНК, потім будуть виявлятися в різних положеннях вздовж шаблонної мРНК. Навіть якщо б поліпептидні ланцюги утворилися, їхні послідовності були б випадковими, оскільки нічого схожого на код не існувало б.

7.Важливо зрозуміти, що автор називає «тРНК» (див. мал.8).13 Ключем до його міркувань є те, що «специфічні для послідовності взаємодії між поліпептидами й полінуклеотидами призводять до накопичення специфічних пар поліпептид-полірибонуклеотид».25 «Близькість між пептидом і молекулою РНК, імовірно, буде сприяти утворенню складноефірних зв'язків між ними».25 Автор припускає, що це призводить до спадкової «тРНК ».

 Кожна така «тРНК» складається з певної поліпептидної послідовності (а не з окремих амінокислот), яка хімічно пов'язана з унікальною однонитковою РНК (мал.8B). Множинні тРНК повинні міцно з'єднуватися з матрицею мРНК25 і жорстко утримуватися в певних місцях на матричної мРНК. Але новий пептидний зв'язок може утворитися тільки між сусідніми тРНК, якщо вони здатні вступати в контакт.Це означає, що вони повинні бути прикріплені на кінцях тРНК, як показано на малюнках в оригінальній літературі, 13 і що тРНК повинні бути розташовані близько один до одного на мРНК. В іншому випадку складноефірний зв'язок (між пептидом і РНК з утворенням «тРНК») 25 був би похований і був би недоступним для аміногрупи другого пептиду, з яким вона повинна зв'язуватися. На малюнку 11 показана карбоксильна група тРНК1, недоступна для аміногрупи тРНК2.

 Для отримання «тРНК» автор припускає, що частини альфа-спіралей, кожна з яких складається з різних серій амінокислот для забезпечення специфічності, забезпечуватимуть унікальні взаємодії.25 Проте, випадкові пептиди можуть згортатися майже нескінченним числом способів і будуть утворювати не тільки альфа-спіралі у визначених місцях (особливо якщо використовуються рацемічні суміші амінокислот).Ми повинні припустити, що поліпептидні ланцюги, утворені в природних умовах, майже завжди будуть аморфними полімерами.

Можливо, є альтернатива необхідності розміщувати прото-тРНК дуже близько один до одного вздовж матричної мРНК. Припустимо, що місця, в яких пари тРНК:мРНК є більш гнучкими, дозволяють їм, в решті решт, підійти досить близько, щоб зреагувати. Це відбудеться, коли частини тРНК та мРНК не може утворювати пари основ, утворюючи невеликі опуклості. Або якщо б тРНК відокремилася від мРНК і виявилася в безпосередній близькості від іншої тРНК, з якою вона може реагувати. Іншими словами, місце, де реагують «тРНК» насправді розташовані по відношенню до матричної мРНК, буде відрізнятися.

Проте, це зруйнувало б уявлення про те, що стародавній ланцюг мРНК є істинною кодуючою матрицею. Це не визначило б білкові послідовності, що й не дозволило б усунути взаємодії тРНК-мРНК у парі основ (з допомогою невизначених «кофакторів» для утримання тРНК і мРНК разом), що сходяться до єдиного кодону, який використовується в генетичному коді.

8. У цій грандіозній суміші тРНК і мРНК що має запобігти їхнє перехресне парування? Це дозволило б зібрати всі неправильні види пептидів разом, де вони також могли б полімеризуватися.

9. У міру подовження пептидних ланцюгів вони почнуть складатися в тривимірні структури, які будуть оточувати етеріфіковану точку приєднання з тРНК. Через стеричні причини це запобігло б приєднанню інших тРНК в області тієї ж мРНК, і функціональні групи, які повинні реагувати, зближуються один з одним.

Така система не має засобів самовідтворення. Крім того, постулювання множинних ковалентних складноефірнихзв'язків передбачає певне гаряче й сухе середовище, яке несумісне зі сприятлевим еволюційним середовищем, представленого в якості кандидатів для виникнення життя.

Малюнок 11. Складноефірний зв'язок між пептидами й шаблонними мРНК будуть поховані в поліпептидних ланцюгах, запобігаючи подальшу полімеризацію. У рибосомах утворюються білкові ланцюги утримуються на місці таким чином, що реакційноздатні карбоксильні (-COOH) та амінні (-NH2) групи можуть легко реагувати разом, незалежно від того, наскільки великим стає зростаючий білок. Цей факт ігноруєтся в тій спрощеній моделі. У міру зростання розміру білка складноефірний зв'язок буде ставати все більш захищеною масою аморфного поліпептиду. Після утворення короткого поліпептиду подальша полімеризація буде відвернена, так як карбоксильні та амінні функціональні групи не вступають у контакт один з одним.

11. Наше найбільше заперечення: ніщо з того, що потребує пояснення, не було серйозно розглянуте. Що ж це за «кофактори», які, як передбачається, дозволяють еволюціонувати реальним рибосомам і aaRS? Цим машинам (рибосоми, aaRS та ін) потрібні десятки точно сконструйованих білків, і треба було б безліч чудес, щоб створити точні молекулярні інструменти для систематичної заміни пар основ, що використовуються для зв'язування ланцюгів тРНК і мРНК,13 залишаючи тільки кодон-антикодонні взаємодії. Саме так, імовірно, виникли сучасні рибосоми. Зверніть увагу, що на більш ранніх етапах еволюції була постульована величезна кількість унікальних пар основ, що дозволяло однозначно зв'язати кожну спадкову «тРНК» з певною частиною мРНК. У моделі ці базові пари систематично усуваються, але специфічність (тобто яка тРНК приєднується до якої частини мРНК) не повинна бути втрачена.

Одночасно з цим інші невизначені «кофактори», які еволюціонують, відповідальні за те, щоб, в решті реш, зв'язати одну амінокислоту з правильною тРНК, як це роблять сучасні aaRS. Чи це можливо? Згідно моделі,13 спочатку з безлічі різних поліпептидів (з 17 або більше залишками)13 кожний пов'язаний з певною РНК, що призводить до стародавньої «тРНК». (Під «тРНК» автор насправді має на увазі стародавню «заряджену тРНК», в якій використовується поліпептид, а не одна амінокислота). Двадцять амінокислот у сімнадцяти положеннях призводять до 2017 = 1,3 × 1022 можливим «тРНК» плюс багато інших, які мають більш довгі чи коротші приєднані поліпептиди. Карбоксильні й аміно-кінці цих великих поліпептидів потім зв'язуються, утворюючи примітивні білки (мал. 11). Автор не пояснює, яким чином була обрана крихітна частина з більш ніж 1022 альтернатив, і не розглядає питання про те, чи буде мізерна підмножина, яка використовується, достатньою для забезпечення мінімальних біологічних потреб, заснованих на таких сирих білках.

У сучасному коді кодується кожен залишок кожного білка, що дозволяє виробляти будь-яку послідовність залишків. Запропонований стародавній код, проте, міг би кодувати тільки окремі великі, дискретні амінокислотні «блоки».

Альберті вважає, що всі більш короткі поліпептидні ланцюги, в решті решт, знадобляться для правильної ідентифікації РНК, з якою вони повинні зв'язуватися. Цей процес повинен завершитися у відповідних aaRS, які заряджають одну амінокислоту до певного ланцюга РНК (тобто реальних тРНК). (Нагадаємо, що спочатку довші поліпептиди, які утворюють альфа-спіралі, повинні були б дозволити специфічну ідентифікацію РНК, з якою вони утворюють складноефірний зв'язок). Автор не надав жодних подробиць, які обґрунтовували б твердження про те, що некерована природа могла б зробити цей ефект за допомогою «кофакторів» або будь-якого іншого природного методу.

Але ще один фундаментальний момент був упущений з поля зору. Передбачається, що спочатку дискретні блоки поліпептиду зв'язуються між собою, забезпечуючи необхідні білки. Амінокислоти тепер усуваються, що призводить до більш коротких «блоків». Оскільки поліпептиди, приєднані до ланцюгів РНК, коротшають, різні послідовності будуть зв'язуватися з одним і тим же ланцюжком РНК, що і раніше, виробляючи еволюціонуючий код, в якому кожна «тРНК» буде заряджена різними поліпептидами. Не цілком очевидно, чому модифікація індивідуального «блоку» шляхом виключення амінокислот все одно призведе до прийнятних примітивних білків. І розвиток усіх «блоків» призведе до повного хаосу. Та ж сама мРНК тепер буде виробляти абсолютно різні версії білка.

12. У міру того, як кофактори вводяться між прото-тРНК і мРНК, а також між пептидами та тРНК, просторові відносини, що дозволяють раніше пов'язувати пептиди разом, будуть зруйновані.

Замість того щоб продовжувати ці туманні хімічні гіпотези, еволюціоністам здається більш розумним скористатися будь-якими хімічними матеріалами, які вони побажають (чудово знаючи, що вони мають біологічне походження), і показати в лабораторії щось конкретне й працездатне. Якщо неможливо розумно організувати всі компоненти будь-яким бажаним способом (крім простого відтворення існуючої генетичної системи), то в природних умовах з забрудненням > 99,99%, ультрафіолетовим світлом і майже нескінченним розбавленням, реплікатор на основі коду просто не виникне.

(II) Коеволюція біосинтетично пов'язаних амінокислотних шляхів

Під цим кутом зору, даний код відображає історичний розвиток. Нові подібні амінокислоти будуть еволюціонувати з плином часу з існуючих шляхів синтезу й присвоюватися подібним кодонам. Деякі дослідники стверджують,що 34 біосинтетично пов'язані амінокислоти часто мають кодони, які відрізняються тільки одним нуклеотидом. Крім того, стверджується,що 35 синтетази класу II більш давні, ніж синтетази класу I, і тому десять амінокислот, що обслуговуються класом II, що виникли б раніше при розробці генетичного коду.

Заперечення. Тут ми не можемо дати вичерпного аналізу цієї гіпотези. Проте, цей аргумент значно послаблюється тим фактом, що багато амінокислот є взаємозамінними. Навіть випадково згенеровані коди показують схожі зв'язки між амінокислотами, які є биосинтетично пов'язаними,34 і зовсім не ясно, які амінокислоти слід вважати біосинтетично пов'язаними.36

Природа повинна була б експериментувати з багатьма можливими кодами та створити багато нових біохімічних мереж, щоб забезпечити нові амінокислоти для тестування. Для цього потрібні нові гени. Природа не може дивитися вперед й жертвувати заради майбутнього, тому кожен з безлічі проміжних дослідницьких кроків не може вимагати шкідливих етапів. Це створює неможливі проблеми для того, що може зробити випадок плюс природний відбір. Ми обговорювали поняття тестування різних кодів у іншому місці.1

Якщо в попередній формі життя використовувався лише набір амінокислот, то повинні бути отримані необхідні докази. «Дуже законсервовані» білки, імовірно дуже стародавнього походження, повинні демонструвати активне використання спочатку обмеженого набору амінокислот. Це очікування особливо вірне, якщо існуючі послідовності демонструють невелику мінливість у таких самих позиціях залишку. Крім того, перший біосинтетичний шлях міг бути побудований тільки з білками, заснованими на амінокислотах, доступних у той час. Залишкові склади членів, як давніх, так і з більш сучасних шляхів можна було б порівняти, щоб побачити, чи є зміщення.

Хіба нерозумно вимагати такого роду підтверджуючих доказів? Припустимо, хтось повідомив, що білки, використовувані механізмом синтетаз класу II, покладаються тільки на амінокислоти, отримані таким чином. Кожен з нині живих еволюціоністів використовував би це як остаточний і переконливий доказ своєї теорії. Тоді чому людина не хоче робити таке передбачення? Не дивлячись на дані, ми прогнозуємо, що це буде неможливо.

(III) Еволюція та оптимізація для запобігання помилок

Деякі припустили,37-39 що генетичні коди еволюціонували або для того, щоб мінімізувати помилки при трансляції мРНК у білок, або для того, щоб зменшити тягар результату.40,41 Аналогічна пропозиція40,42 полягає в тому, що ефекти амінокислотного заміщення за рахунок мутацій повинні бути зведені до мінімуму за рахунок зменшення ймовірності їхнього виникнення й серйозності результату в разі їхнього виникнення. Було б бажано, щоб випадкові мутації просто вводили залишки з аналогічними фізико-хімічними властивостями.43,44

Амінокислоти можуть характеризуватися, принаймні, 134 різними фізико-хімічними властивостями,45тому виникає питання про те, яка властивість або група властивостей є найбільш важливими. Наприклад, показники обсягу амінокислот здаються менш важливими, ніж критерії полярності.46 Крім того, мутації C ↔ G мають тенденцію бути більш частими, ніж мутації A ↔ U,47 для яких необхідно було б взяти до уваги оптимізовану угоду про генетичне кодування. Перехідні мутації,48 як правило, зустрічаються частіше, ніж трансверсіонні мутації.48 Під час трансляції (і реплікації ДНК) найбільш вірогідні перехідні помилки, оскільки помилкове прийняття пурину за інший пурин, або піримідину за інший піримідин, є більш вірогідним через стереохімічні причини.

Тому кращі генетичні коди забезпечують надмірність, так що найбільш імовірні помилки перекладу, або мутації дуже часто призводять до однієї і тієї ж амінокислоти.Фріланд та Херст49 взяли це до уваги при порівнянні, за допомогою комп'ютера, мільйона випадково згенеруваних кодів, які мають той самий патерн кодон призначень для різних амінокислот, що і стандартний код. Використовуючи міру гідрофобності в якості єдиної ключової ознаки, яка повинна бути захищеною угодою про кодування (й беручи до уваги нуклеотидне мутаційне зміщення), вони знайшли тільки один код із мільйона, який тільки за критерієм гідрофобності був би краще. Ми переконані, що облік більшого числа факторів, що підлягають оптимізації, дозволить виявити, що ця пропорція буде значно менше.

 Гідрофобність відображає тенденцію амінокислот уникати контакту з водою та бути присутнім у прихованому внутрішньому ядрі згорнутих білків. На жаль, не було погоджено ні одного найкращого показника гідрофобності амінокислот, і було запропоновано, щонайменше, 43 різних методи лабораторних випробувань.50 Різні критерії часто приводять до дуже різних ранжирувань гідрофобності амінокіслот.50

 Інші вважали, що мінливість грає важливу роль: стійкість була важлива для збереження деяких білків, але мінливість була потрібна також для забезпечення еволюціі.51 Треті зосередилися на загальних ефектах мутацій на взаємодіях поверхні білка з розчинником, які призводять до вторинних властивостей білка, таких як альфа-спіралі й бета-листи.53

Можливість використання різних кодонів для кодування однієї і тієї ж амінокислоти може бути вигідним. Наприклад, якщо бажана низька концентрація білка, можна використовувати синонімічні кодони, які призводять до більш повільної трансляції54,55, використовуючи той факт, що відповідні aaRS часто присутні в дуже різних пропорціях. Якщо специфічна тРНК присутня тільки в низькій концентрації, цільовий кодон повинен чекати набагато довше, щоб транслюватися, ніж якщо б тРНК була у високому ступені доступна. Шарп і співавт. повідомляють,56 що гени з високою експресією дійсно переважно використовують ті кодони, які призводять до більш швидкої трансляції. Це реалізується шляхом підтримки різних концентрацій відповідних aaRS. Трансляція мРНК може бути сповільнена, якщо рідкісний кодон, що транслюється рибосомою, повинен чекати, поки відповідна заряджена тРНК не наткнеться на це місце, наприклад, щоб дати час вже трансльованій частині для ініціації фолдінга.57

Не ймовірно, яка властивість або властивості амінокислот слід зберігати при наявності мутацій. Одна з пропозицій Фриланда та його коллег16 — використовувати точкові прийняті мутації (PAM) 74-100 матричних даних. Порівняння вирівняних версій генів, які мутували (в організмах, імовірно мають загального предка) приблизно через 100 мільйонів років, імовірно, виявило б, які амінокислотні заміни більш варіабельні або, з іншого боку, більш нетерпимі до заміни. Потім автори досліджували, чи захищає присвоєння синонімічних кодонів від таких змін, і прийшли до висновку,що58 універсальний генетичний код «сягає від 96% до 100% оптимізації щодо найкращої можливої конфігурації коду».

Механізми обміну кодонами. Існують різні сценарії1 щодо того, як кодони можуть почати кодувати іншу амінокислоту. Згідно моделі Осави-Джакса,59 мутації призводять до того, що деякі кодони зникають з генома, а відповідні гени тРНК, будучи зайвими, зникають. У цей момент ці геноми не будуть мати всі 64 можливих кодонів, присутніх у кодонових білкових областях. Цей процес, як вважають, викликаний мутаційним зміщенням, що приводить до більш високого вмісту геному A-Т або G-C. Коли пізніше це мутаційне зміщення обернеться назад, відсутні кодони почнуть з'являтися десь у геномі. Вони більше не можуть бути переведені, так як відповідна тРНК відсутня. Але дуплікація гену тРНК, супроводжувана мутаціями в антикодонному положенні, може дозволити розпізнати новий кодон на мРНК, який тепер буде переводитися на іншу амінокислоту.

Модель Шульца-Яруса60 аналогічна, але дозволяє кодону залишатися частково присутнім у геномі. Мутації в дубльованої тРНК продукують інший антикодон або специфічність до зарядки нової амінокислоти і, отже, неоднозначну трансляцію кодона (тобто той самий кодон може бути ідентифікований різними тРНК). Природний відбір тоді оптимізував би певну комбінацію. До речі, у деяких видів Candida CUG кодує або серин, або лейцин,60 у залежності від обставин.

Заперечення. Ми обговорювали різні труднощі з поняттям спроб і помилок, намагаючись знайти кращі угоди про кодування в іншому місці.1 Існує більше 1,5 × 1084 кодів, які можуть відображати 64 кодони з 20 амінокислотами плюс, принаймні, один стоп-сигнал.1 Це величезний простір пошуку, і більшість альтернатив доведеться відкинути. Але коли природа «дізнається», що вивчається краща або гірша угода про кодування? Потрібно кілька етапів.

1. Багато генів повинні бути функціонально близькі до оптимальних, щоб природний відбір міг визначити, коли випадкові мутації призведуть до появи нижчих версій. Це означає, що для отримання багатьох оптимальних генів потрібно неймовірно велика кількість мутаційних досліджень. Втручання в мутуючий генетичний код буде перешкоджати зусиллям природного відбору.

2. Один або кілька кодонів повинні були б бути перекодовані, і з'ясувати ефекти по всьому геному. Під час цього процесу багато кодонів будуть неоднозначними, так що міріади варіантів білка будуть генеруватися майже всіма генами в одного і того ж індивідуума. Природний відбір буде стикатися з постійно мінливою оцінкою того, чи буде кодон, який еволюціонує, корисним.

3. Одна конвенція, що еволюціонує, по кодуванню повинна бути завершена, перш ніж може бути розпочата інша. Наприклад, якщо протягом інтервалу, коли 70% часу кодон приводить до амінокислоти «а», а 30% часу до «b», додаткові кодони також стають неоднозначними, це привело б до клітинного хаосу. Крім того, ми ніде не бачимо в природі прикладів безлічі неоднозначних кодонів, присутніх одночасно в організмі.

Генерація нового коду вимагає видалення засобів для створення вихідного варіанту кодування. Залежно від механізму еволюції коду це може означати видалення дублікатів варіантів тРНК або aaRS у всій популяції. Це буде майже неможливо, оскільки виборча перевага буде мінімальною, і в кращому випадку буде споживати величезну кількість ключового еволюційного ресурсу — часу.

Природа не може знати заздалегідь, яка угода про кодування, в решті решт, стане поліпшенням. Первісна 0,1% неоднозначність в одному кодоні, яка може бути обмежена одним геном (наприклад, у разі специфічних хімічних модифікацій мРНК), навряд чи буде розпізнана природним відбором. Зверніть увагу, що ця 0,1% альтернативна амінокислота буде розподілена випадковим чином з усіх копій цього кодона в гені, і отримані білки будуть присутні в кількох копіях. Альтернативний залишок буде присутній тільки в невеликій меншості цих білків, причому випадковим чином.

Після того, як новий код був виправлений, це обмежує напрямок майбутніх еволюційних спроб. Немає ніякого механізму, що дозволяє повернутися до попереднього коду після того, як він був залишений, крім як для повторного розвитку в цій системі. Враховуючи велику кількість не пов'язаних між собою чинників, що визначають виживаність прокаріотів із зовнішнього середовища і якість генетичної системи, природний відбір не буде забезпечений будь-якими послідовними рекомендаціями. Правила будуть постійно змінюватися. І безліч критеріїв необхідно враховувати одночасно при прийнятті рішення, що робити з кожним кодоном. Кодони можуть бути використані декількома кодами, не пов'язаними з визначенням амінокислот,61 і відносна важливість компромісів буде постійно змінюватися.

Обговорення

Ми вважаємо, що генетичний апарат був розроблений, і згодні з тим, що повинна бути логічна причина для вибраного кодону → амінокислотного картування. Ми підозрюємо, що захист від наслідків мутацій дійсно є одним з факторів, які вплинули на вибір. Це вимагало б передбачення всіх видів генів, необхідних всім організмам, і зважування збитку, який може завдати кожен вид амінокислотної заміни. Оптимальна конструкція може також зажадати використання варіантів коду для деяких передбачуваних організмів. Але ми хочемо підкреслити, що код для визначення порядку амінокислот у білках — це ще не вся історія. Багато іншіх кодів61-63 накладаються на одні й ті ж гени й некодуючі області, а також повинні враховуватися при розробці коду. Різні нуклеотидні патерни використовуються для регуляторних і структурних цілей ДНК. ДНК має надавати інформацію для багатьох інших процесів, окрім визначення послідовностей білків. Ці вимоги впливають на те, який код буде універсально оптимальним.

Цікаво, що теоретик дизайну цілком може висунути аналогічне припущення щодо Фриланда і його колег,16 згадане вище, але засноване на інших міркуваннях. У першому наближенні оптимальна конструкція тих самих білків у різних організмах була б однаковою. З різних причин, іноді заміна амінокислоти була б краще.Наприклад, в гарячих середовищах білки можуть згортатися більш щільно, в той час як ця конструкція може перешкоджати ферментативної активності в більш холодних умовах, вставляють реактивну ділянку дуже глибоко до жорсткого гідрофобного коду. В цілому, оптимальні варіанти білка повинні часто використовувати залишки з аналогічними властивостями, такими як гидрофобність або розмір, в даному положенні. Гени не були б подібні через загальне походження, але через вимоги дизайну. Мутації згодом будуть генерувати менш оптимальні варіанти, які все одно будуть досить гарні.

Розумно спланований генетичний код взяв це до уваги. Таким чином, у першому наближенні порівняння вирівняних генів та визначення схем замінності дійсно дасть корисну інформацію про вимоги до амінокислот і використанні альтернатив. Якщо в якості набору даних використовувати достатню кількість таксонів, що живуть у багатьох середовищах, то ми зможемо отримати гарне уявлення про кількість варіабельних гомологічних білків. Звичайно, «шум», у вигляді випадкових мутацій, також буде присутній. Знання інших накладених кодів, які не відповідають за кодування білкових послідовностей, дозволило б ще краще визначити, наскільки оптимальним насправді є стандартний код. Різні альтернативні коди повинні відповідати багатьом вимогам проектування, і оптимальний з них найкраще підходить для всіх вимог, що ставляться до нього.

Проте, є одна ключова відмінність у міркуваннях. Ми припускаємо, що Бог знає, якими повинні бути ідеальні білкові послідовності, і, отже, які з них потребують захисту від мутацій, і всі інші ролі, які повинні грати нуклеотидні послідовності. У еволюціоніста тут є проблема. Точне налашування сотень, або тисяч генів одночасно, з допомогою природного відбору,для отримання майже оптимальної безлічі абсурдна. У той час як регулювання біохімічних мереж і ферментів оптимізується, правила у вигляді коду також будуть змінюватися. Проте, останній універсальний загальний предок (Last Універсальний Common Ancestor, LUCA) імовірно вже мав тисячі генів64 і повний набір тРНК-синтетаз і тРНК7 близько 2,5 мільярдів років тому.65 Насправді, інші лінії міркування66 привели до переконання, що генетичний код майже так само старий, як і наша планета. Іншими словами, у нього практично не було часу для розвитку, і все ж він близький до оптимального перед обличчям більш ніж 1,5 × 1084 альтернативних угод про кодування 64 → 21.

Ми всюди бачимо свідчення існування клітинних механізмів, призначених для виявлення та виправлення помилок. При статевому розмноженні ми спостерігаємо, що гени дублюються, що пом'якшує наслідки багатьох шкідливих мутацій, і тим самим допомагає організмам зберігати морфологічні функції. Багато еволюціоністів тепер припускають, що природа спробувала зберегти складну функціональність від деградації. Все це означає, що досягнутий у вищому ступені оптимальний стан, який природа намагається зберегти. Більш сумісними з еволюційною думкою були б пропозиції, які заохочують «еволюційність» або адаптацію. Еволюція від простої до заданої складності не досягається шляхом перешкоджання змінам.

Резюме

Ключовим елементом еволюційної теорії є те, що життя перетворилося із простого в складне. Але вимога, щоб мінімальні компоненти генетичного коду були одночасно на місці без розумного керівництва, неможливо відрізнити від вимоги дива. Ніякі емпіричні дані не мотивували пошук більш простих, або менш оптимальних, примітивних, генетичних кодів. Як тільки виключається можливість Божественної діяльності, як причинного фактора, у багатьох вчених виникає майже беззаперечна готовність прийняти абсурдні поняття. Зрештою, це повинно було статися!


Ми приходимо до висновку, що ніхто не запропонував працездатну натуралістичну модель, яка показує, як генетичний код може еволюціонувати з більш простої версії у більш складну.


Автор: Роял Трумен і Пер Терборг

Дата публікації: серпень 2007

Джерело: creation.com


Переклад: Горячкіна Г.

Редактор: Недоступ А.


Посилання:

1. Трумен, Р. й Терборг, П., Оптимізація генетичного коду: частина 2, J. Creation 21 (3):84-92, 2007. Повернутися до тексту.

2. Джадсон, О. П. й Хейдон, Д., Генетичний код: для чого він хороший? Аналіз впливу тиску відбору на генетичні коди, J. Mol. Evol. 49:539-550, 1999. Повернутися до тексту.

3. Треворс, Дж. Т. й Абель, Д. Л., Випадок і необхідність не пояснюють походження життя, Cell Biology International 28:729-739, 2004. Повернутися до тексту.

4. Є кілька незначних варіантів, які, як вважають, є виродженями універсального коду. Див. Осава С., Еволюція генетичного коду, Oxford University Press, Oxford, 1995. Повернутися до тексту.

5. Треворс й Абель, посилання 3, стор. 729. Повернутися до тексту.

6. Див. www.us.net/life/. сайт у своєму розділі «Опис і мета призу» заявляє «Премія за походження життя» (далі йменована «премія буде присуджена за пропозицію дуже правдоподібного механізму спонтанного виникнення генетичних ресурсів у природі, достатніх для виникнення життя. Щоб виграти премію, пояснення повинно бути погоджене з емпіричними, біохімічними, кінетичними та термодинамічними концепціями, як далі описано в цьому документі, і бути опубліковано в поважному, рецензованому науковому журналі (журналах)».

«Одноразова премія буде виплачуватися переможцю (ям) у вигляді двадцятирічної ренти в надії відбити в теоретиків полювання до негайного припинення продуктивної кар'єри. Ануїтет складається з $ 50 000 (США) на рік протягом двадцяти років поспіль, на загальну суму один мільйон доларів». Поверніться до тексту.

7. Найт, Р. Д., Фріланд, С. Ю. й Ландвебер, К. Ф., Селекція, історія та хімія: три грані генетичного коду, TIBS 24:241-247, 1999. Повернутися до тексту.

8. Воєс, С. Н., Генетичний код, Harper & Row, New York, 1967. Повернутися до тексту.

9. Пельк, С. Н. й and Вельтон, M. Р. E., Стереохімічний зв'язок між кодуючими триплетами та амінокислотами, Nature 209:868-872, 1966. Повернутися до тексту.

10. Даннилл, P., Триплетне нуклеотидно-амінокислотне парування: стереохімічна основа для поділу білків і непротеїнових амінокислот, Nature 210:1267-1268, 1966. Повернутися до тексту.

11. Рут-Бернштайн, Р. С., Амінокислотне парування, J. Theor. Biol.  94:885-904, 1982. Повернутися до тексту.

12. Хендрі, К. Б. й Вітмен Ф. Х., Стереохімічне розпізнавання в нуклеїнових кислотно-амінокислотних взаємодіях і його наслідки в біологічному кодуванні: модельний підхід, Perspect. Theor. Biol. Med. 22:333-345, 1979. Повернутися до тексту.

13. Альберті, С., Еволюція генетичного коду, синтез білка та реплікація ядер кислот, MLS, Cell. Mol. Life Sci. 56:85-93, 1999. Повернутися до тексту.

14. Седергрен, Р. й Мірамонтес, П., Загадкове походження генетичного коду, Trends Biochem. Sci. 21:199-200, 1996. Повернутися до тексту.

15. Фріланд С. Д., Ву, T. й Кульман, Н., Випадок помилки, мінімізує стандартний генетичний код, Origins of Life and Evolution of the Biosphere 33:457-477, 2003. Стор. 458: «Відповідно до цієї моделі, відбір діє незалежно від попередніх еволюційних сил, потенційно переписуючи сліди стереохімічного походження й біосинтетично опосередкованого розширення коду». Поверніться до тексту.

16. Фріланд С. Д., Найт Р. Д., Ландвебер Л. Ф. й Херст Л. Д., Рання фіксація оптимального генетичного коду, Mol. Biol. Evol. 17 (4):511-518, 2000. Повернутися до тексту.

17. Тріфонов Е. Н., Консенсусний тимчасовий порядок амінокислот і еволюція триплетного коду, Gene 261:139-151, 2000. Див. Огляд та посилання на стор. 141. Повернутися до тексту.

18. Бергман, Д., Чому дослідження Міллера-Юрі стверджує проти абіогенеза, J. Creation 18 (2):74-84, 2002. Повернутися до тексту.

19. Міллер, С. Л., Виробництво амінокислот у можливих примітивних земних умовах, Science 117:528-529, 1953. Повернутися до тексту.

20. Трумен, Р. і Терборг, П., Чому загальні мутації у псевдогені гомінід X GULO не є доказом спільного походження, J. Creation 21(3):118-127 2007. Повернутися до тексту.

21. Сімпсон, С., Перші кроки життя, що обпікають, Science News 155 (2):24-26, 1999; стор 26. Повернутися до тексту.

22. Флауерс, С., Наукова Одіссея: 100 років відкриття, William Morrow and Company, New York, стор. 173, 1998. Повернутися до тексту.

23. Шапіро, Р., Походження; керівництво скептиків щодо створення життя на Землі, Summit Books, New York, стор. 99, 1986. Повернутися до тексту.

24. Кемпбелл, А. Н., Біологія, Benjamin/Cummings, Redwood City, CA, 1993. Повернутися до тексту.

25. Альберті, посилання 13, стор 87. Повернутися до тексту.

 26. Сарфаті, Дж., Походження життя: проблема хіральності, J. Creation 12 (3):263-266, 1998. Повернутися до тексту.

 27. Джойс, Ф. Г. та Оргел Л. Е., Перспективи для розуміння походження світу РНК; в: Гестеланд, Р. Ф., Чех, Т. Р. Аткінс, Дж. Ф. (Сост.), Світ РНК, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY; С. 49-78, 1999. Повернутися до тексту.

 28. Сарфаті, Дж., Гідротермальне походження життя? J. Creation 13 (2):5-6, 1999. Повернутися до тексту.

 29. Імаї, E., Хoндa, Х., Хaтoрі, K., Шлюб, A. і Maцунo, K., Подовження олігопептидів у модульованої підводної гідротермальної системі, Science 283 (5403):831-833, 1999. Повернутися до тексту.

 30. Tакстон, С. Б. Бредлі, Л. В. та Ольсен, Р. Л. Таємниця походження життя, Lewis and Stanley, Dallas, TX, 1992. Див. розділ 4. Повернутися до тексту.

 31. Трумен, Р. і Хейзіг, М., Білкові сім'ї: шанс чи дизайн? J. Creation 15 (3):115-127, 2001. Повернутися до тексту.

 32. Трумен, Р., Пошук голок у стозі сіна, J. Creation 20 (2):90-99, 2006. Повернутися до тексту.

33. Альберті, посилання 13, стор. 90. Повернутися до тексту.

34. Найт та ін, посилання 7, стор 243. Повернутися до тексту.

35. Хартман, Х., Роздуми про походження генетичного коду, J. Mol. Evol. 40:541-544, 1995. Повернутися до тексту.

36. Амірновін Р., Аналіз метаболічної теорії походження генетичного коду, J. Mol. Evol. 44:473-476, 1997. Повернутися до тексту.

37. Воєс, С. Н., Про еволюцію генетичного коду, Proc. Natl Acad. Sci. USA 54:1546-152, 1995. Повернутися до тексту.

38. Гольдберг, А. Л. і Виттес, Н. В., Генетичний код: аспекти організації, Science 153:420-424, 1966. Повернутися до тексту.

39. Воєс, С. Н., Генетичний код: молекулярні основи генетичної експресії, Harper and Row, 1967. Повернутися до тексту.

40. Зонненборн, Т. М., Виродження генетичного коду: ступені, природа та генетичні наслідки; в: Брайсон В., Фогель Х. Ю. (Упоряд.), Гени та білки, що еволюціонують, Academic Press, New York, NY, 1965. Повернутися до тексту.

41. Арделл, Д. Х., Про мінімізації помилок у послідовному походженні стандартного генетичного коду, J. Mol. Evol. 47:1-13, 1998. Повернутися до тексту.

42. Епштейн, К. Д., Роль амінокислотного «коду» і відбору для конформації в еволюції білків, Nature 210:25-28, 1966. Повернутися до тексту.

43. Вольфенден, Н. В., Cullis, П. М. і Southgate С. С. Ф., Води, фолдінг білків, і генетичний код, Science 206:575-577, 1979. Повернутися до тексту.

44. Haig, D. and Hurst L. D., Кількісна міра мінімізації помилок у генетичному коді, J. Mol. Evol. 33:412-417, 1991. Повернутися до тексту.

45. Sneath, P. H. A., Відносини між хімічною структурою та біологічною активністю в пептидах, J. Theor. Biol. 12:157-195, 1966. Повернутися до тексту.

46. Арделл, пос. 41, стор Повернутися до тексту.

47. Арделл, пос. 41, стор Повернутися до тексту.

48. У перехідних мутаціях піримідин заміщується іншим піримідином, або пурин пурином (A ↔ G або C ↔ T). В перевалу мутацій піримідину можна замінити на пурин або навпаки (A ↔ C, G ↔ T, G ↔ C або A ↔ T). Тут A, C, G і T являють собою чотири можливих нуклеотиди, використовуваних ДНК. Повернутися до тексту.

49. Фріланд, З. Д. і Херст, Л., Д., Генетичний код один на мільйон, J. Mol. Evol. 47:238-248, 1998. Повернутися до тексту.

50. Тринквайєр, Р. і Сейнжуанд В. Х., Яка ефективна властивість амінокислот найкраще зберігається генетичним кодом? Protein Engineering 11 (3):153-169, 1998. Повернутися до тексту.

51. Маеширо, Т. і Кімура М., Роль стійкості та мінливості в походженні та еволюції генетичних кодів, Proc. Natl Acad. Sci. США 95:5088-5093, 1998. Повернутися до тексту.

52. Сітарамам, В., Генетичний код переважно зберігає довгострокові взаємодії між амінокислотами, FEBS Lett. 247:46-50, 1989. Повернутися до тексту.

53. Дуфтон, М. Д., Надмірність генетичного коду та еволюційна стабільність вторинної структури білка, J. Theor. Biol. 116:343-348, 1985. Повернутися до тексту.

54. Грожан Х. і Фірс Ст., Використання преференційних кодонів у прокаріотичних генах: оптимальна енергія кодон-антикодонного взаємодії і селективне використання кодонов ефективно експресованих генах, Gene 18:199-209, 1982. Повернутися до тексту.

55. Соренсен, M. A. і Педерсен, С. Абсолютні in vivo швидкості трансляції окремих кодонів у Escherichia coli — два кодони глутамінової кислоти GAA і GAG переводяться із триразовою різницею у швидкості, J. Mol. Biol. 222:265-280, 1991. Повернутися до тексту.

56. Шарп, П. М., Стеніко, М. Педен, Ж. Ф. і Лойд, А. Т., Використання кодона: мутаційний ухил, поступальний відбір або обидва? Biochem. Soc. Trans. 21:835-841, 1993. Повернутися до тексту.

57. Кімчі-Сарфаті, С. та ін, «Мовчазний» поліморфізм у гені MDR1 змінює субстратну специфічність, Science 315:525-528, 6 Jan. 2007; опубліковано на сайті Dec. 21 2006; www.sciencemag.org. поверніться до тексту.

58. Фріланд та ін., посилання 16, стор. 515. Повернутися до тексту.

59. Осава, С. і Джукс, T. Х., Еволюція генетичного коду під впливом змісту антикодонів, Trends Genet. 4:191-198, 1988. Повернутися до тексту.

60. Ярус, М. і Шульц, Д. В., До пояснення податливості в генетичному кодуванні, J. Mol.Evol. 45:1-8, 1997. Повернутися до тексту.

 61. Тріфонов Є. М., Генетичні послідовності як продукт стиснення шляхом інклюзивної суперпозиції багатьох кодів, Molecular Biology 31 (4):647-654, 1997. Повернутися до тексту.

 62. Є. Сегал, Фондюф-Міттендорф Ю., Чен Л., А. Taстром, Філд Ю., Мур, І. К. Ван, Д. П. і Уідом Д., Геномний код для позиціонування нуклеосом, Nature 442 (7104):772-778 2006. Повернутися до тексту.

 63. Уейд Н., Учені кажуть, що вони знайшли код за межами генетики в ДНК, The New York Times, 25 липня. 2006 рiк. Повернутися до тексту.

 64. Узуніс, К. A., Kунін, В., Дарзентас, Н. і Голдовський Л., Мінімальна оцінка змісту генів останнього універсального загального предка: екзобіологія з земного погляду, Res. Microbiol. 157:57-68, 2006. Повернутися до тексту.

 65. Гу, X., Вік загального предка еукаріот і прокаріот: статистичні висновки, Mol. Biol. Evol. 14 (8):861-866, 1997. Повернутися до тексту.

 66. Ейген, M., Ліндеманн, Б. Ф., Tітцe, M., Вінклер Oсватіч, Р., Дрес, A. і Хеселер, A., Скільки років генетичному коду? Статистична геометрія тРНК дає відповідь, Science 244:673-679, 1989. Повернутися до тексту.

Написати коментар