Как ферменты научились работать в холоде: эволюционная история жизни на остывающей земле?

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.
Как ферменты научились работать в холоде: эволюционная история жизни на остывающей земле?
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.


Новое на сайте

19208Как новые поколения троянов удаленного доступа захватывают системы ради кибершпионажа и... 19207Почему мировые киберпреступники захватили рекламные сети, и как Meta вместе с властями... 19206Как фальшивый пакет StripeApi.Net в NuGet Gallery незаметно похищал финансовые API-токены... 19205Зачем неизвестная группировка UAT-10027 внедряет бэкдор Dohdoor в системы образования и... 19204Ритуальный предсвадебный плач как форма протеста в традиционном Китае 19203Невидимая угроза в оперативной памяти: масштабная атака северокорейских хакеров на... 19202Как уязвимость нулевого дня в Cisco SD-WAN позволяет хакерам незаметно захватывать... 19201Как Google разрушил глобальную шпионскую сеть UNC2814, охватившую правительства 70 стран... 19200Как простое открытие репозитория в Claude Code позволяет хакерам получить полный контроль... 19199Зачем киберсиндикат SLH платит женщинам до 1000 долларов за один телефонный звонок в... 19198Устранение слепых зон SOC: переход к доказательной сортировке угроз для защиты бизнеса 19197Скрытые бэкдоры в цепочках поставок по: атаки через вредоносные пакеты NuGet и npm 19196Как абсолютная самоотдача, отказ от эго и физиологическое переосмысление тревоги помогают... 19195Отказ от стратегии гладиаторов как главный драйвер экспоненциального роста корпораций 19194Цена ручного управления: почему отказ от автоматизации данных разрушает национальную...
Ссылка