Ферменты — белковые молекулы, ускоряющие биохимические реакции в клетках — имеют свой оптимальный температурный диапазон. Человеческие ферменты достигают пика эффективности при температуре тела (37°C), а отклонение от этого оптимума приводит к замедлению или полной остановке их активности. Однако в природе существуют организмы, приспособленные к самым разным температурным условиям.
Экстремофилы — организмы, процветающие в экстремальных условиях — подразделяются на несколько групп. Термофилы обитают в горячих средах, их ферменты устойчивы к высоким температурам. Мезофилы населяют зоны с умеренными температурами. Психрофилы же адаптированы к холодным условиям, и их ферменты сохраняют высокую каталитическую активность при низких температурах.
Научные данные указывают на то, что первые формы жизни на Земле были термофилами. По мере охлаждения планеты жизнь постепенно адаптировалась к более низким температурам. Исследователи обнаружили, что гибкость ферментов напрямую связана с их способностью катализировать реакции при пониженных температурах.
Группа ученых под руководством профессора Сатоши Аканумы из Университета Васэда (Япония) провела исследование, раскрывающее механизмы эволюционной адаптации ферментов к холоду. В работе также участвовали доцент Сота Яги из того же университета, а также доктора Субрата Дасгупта и Шунсуке Тагами из Исследовательского центра динамики биосистем RIKEN. Результаты их работы были опубликованы в журнале Protein Science.
Исследователи применили метод реконструкции предковых последовательностей (ASR), который объединяет молекулярную филогенетику с генной и белковой инженерией для воссоздания генетических и белковых последовательностей вымерших организмов. В качестве объекта изучения был выбран фермент 3-изопропилмалатдегидрогеназа (IPMDH), участвующий в биосинтезе лейцина.
Ученые реконструировали 11 промежуточных предковых ферментов, прослеживая эволюционный путь от древнего термофильного предка до современной кишечной палочки (E. coli). Наиболее значительное улучшение активности при низких температурах произошло между пятым (Anc05) и шестым (Anc06) промежуточными предками. Исследователи идентифицировали три ключевые аминокислотные замены, которые повысили каталитическую активность при 25°C. Удивительно, что эти мутации произошли далеко от активного центра фермента, что противоречит ранее существовавшим представлениям.
Моделирование молекулярной динамики показало существенные структурные изменения: Anc05 оставался в открытой конформации, тогда как Anc06 мог принимать частично закрытую конформацию, что повышало его эффективность при низких температурах.
Этот эволюционный переход произошел примерно 2,5–2,1 миллиарда лет назад, что совпадает с Великим кислородным событием — периодом, когда содержание кислорода в атмосфере Земли значительно увеличилось. Это привело к снижению концентрации атмосферного метана и глобальному похолоданию. Именно это климатическое изменение, вероятно, стало движущей силой адаптации ферментов к более низким температурам.
Результаты исследования не только проливают свет на эволюцию жизни в ответ на изменения окружающей среды Земли, но и могут найти практическое применение. Понимание механизмов адаптации ферментов к различным температурам может помочь в биоинженерии ферментов для применения в биотехнологии, фармацевтике и экологической науке.
Открытие того, как всего несколько мутаций могут радикально изменить температурную адаптацию фермента, демонстрирует удивительную пластичность жизни и её способность приспосабливаться к меняющимся условиям на протяжении миллиардов лет эволюции.
Изображение носит иллюстративный характер
Экстремофилы — организмы, процветающие в экстремальных условиях — подразделяются на несколько групп. Термофилы обитают в горячих средах, их ферменты устойчивы к высоким температурам. Мезофилы населяют зоны с умеренными температурами. Психрофилы же адаптированы к холодным условиям, и их ферменты сохраняют высокую каталитическую активность при низких температурах.
Научные данные указывают на то, что первые формы жизни на Земле были термофилами. По мере охлаждения планеты жизнь постепенно адаптировалась к более низким температурам. Исследователи обнаружили, что гибкость ферментов напрямую связана с их способностью катализировать реакции при пониженных температурах.
Группа ученых под руководством профессора Сатоши Аканумы из Университета Васэда (Япония) провела исследование, раскрывающее механизмы эволюционной адаптации ферментов к холоду. В работе также участвовали доцент Сота Яги из того же университета, а также доктора Субрата Дасгупта и Шунсуке Тагами из Исследовательского центра динамики биосистем RIKEN. Результаты их работы были опубликованы в журнале Protein Science.
Исследователи применили метод реконструкции предковых последовательностей (ASR), который объединяет молекулярную филогенетику с генной и белковой инженерией для воссоздания генетических и белковых последовательностей вымерших организмов. В качестве объекта изучения был выбран фермент 3-изопропилмалатдегидрогеназа (IPMDH), участвующий в биосинтезе лейцина.
Ученые реконструировали 11 промежуточных предковых ферментов, прослеживая эволюционный путь от древнего термофильного предка до современной кишечной палочки (E. coli). Наиболее значительное улучшение активности при низких температурах произошло между пятым (Anc05) и шестым (Anc06) промежуточными предками. Исследователи идентифицировали три ключевые аминокислотные замены, которые повысили каталитическую активность при 25°C. Удивительно, что эти мутации произошли далеко от активного центра фермента, что противоречит ранее существовавшим представлениям.
Моделирование молекулярной динамики показало существенные структурные изменения: Anc05 оставался в открытой конформации, тогда как Anc06 мог принимать частично закрытую конформацию, что повышало его эффективность при низких температурах.
Этот эволюционный переход произошел примерно 2,5–2,1 миллиарда лет назад, что совпадает с Великим кислородным событием — периодом, когда содержание кислорода в атмосфере Земли значительно увеличилось. Это привело к снижению концентрации атмосферного метана и глобальному похолоданию. Именно это климатическое изменение, вероятно, стало движущей силой адаптации ферментов к более низким температурам.
Результаты исследования не только проливают свет на эволюцию жизни в ответ на изменения окружающей среды Земли, но и могут найти практическое применение. Понимание механизмов адаптации ферментов к различным температурам может помочь в биоинженерии ферментов для применения в биотехнологии, фармацевтике и экологической науке.
Открытие того, как всего несколько мутаций могут радикально изменить температурную адаптацию фермента, демонстрирует удивительную пластичность жизни и её способность приспосабливаться к меняющимся условиям на протяжении миллиардов лет эволюции.
