Учени са възстановили отдавна изчезнал предшественик на протеин на бактерии, синтезирали са го в лаборатория и са го накарали отново да функционира. Експериментът е позволил буквално да се надникне в миналото на молекулярната еволюция и да се проследи как от един ензим постепенно са се развили две семейства белтъци с различни функции. Резултатите от изследването са публикувани в списанието Science Advances.

Изследователите не са открили никакъв протеин, запазен в продължение на милиони години. Екипът е сравнил аминокиселинните последователности на съвременните бактериални ферменти и с помощта на реконструкция на предшестващите последователности е изчислил как би могъл да изглежда техният общ предшественик. След това изчислената последователност е била превърната в истински протеин и неговите свойства са били изследвани експериментално.

Учените са изследвали две родствени семейства нуклеази, тоест ензими, които разграждат молекули, съставени от компоненти на генетичния материал. diDNase преработва предимно ДНК-динуклеотиди, състоящи се само от два свързани нуклеотида. Сродният ензим nanoRNase C, или NrnC е способен да работи както с къси фрагменти ДНК, така и с РНК.

Съвременните протеини се различават не само по избора на молекули, с които взаимодействат. diDNase обикновено действа като комплекс от две еднакви субединици, докато NrnC образува структура от осем субединици. Изследователите са искали да разберат дали тази специализация е възникнала след някаква една ключова промяна или се е натрупвала постепенно. Опитите да се открие единствената решаваща мутация не са дали резултат. Точковите промени в съвременните протеини или са намалявали тяхната стабилност, или не са карали ензима да премине към очакваната функция. Тогава екипът е възстановил няколко предполагаеми предишни състояния и фактически са получили междинни етапи от еволюционния път.

Най-ранният реконструиран общ предшественик е образувал димер и е заемал междинно положение между съвременните ензими по отношение на способността да разпознава ДНК и РНК. След разделянето на еволюционните клони бъдещите diDNase постепенно засилили специализацията си към ДНК, а линията NrnC разширила набора от подходящи субстрати и придобила способността ефективно да преработва динуклеотиди от двата типа.

Структурният анализ показал, че големите функционални различия са възникнали в резултат на множество сравнително малки промени. Постепенните промени в разположението на отделни участъци от протеина са променили формата на областта, където се свързва субстратът, каталитичната ефективност и контактите между субединиците. В една от линиите този процес в крайна сметка е позволил преход от димерна организация към осемкомпонентен комплекс.

Триизмерната структура на реконструирания протеин е била изследвана с помощта на рентгенова кристалография на източника PETRA III в германския изследователски център DESY. Структурата на един от предшестващите варианти също е достъпна в международната база данни за протеини, където комплексът е представен като хомодимер.

Експериментите потвърждават една важна особеност на молекулярната еволюция: новата функция на белтъка не се появява задължително след една-единствена значима мутация. Промените, които поотделно остават незабележими могат да се натрупват, да взаимодействат помежду си и с течение на времето да променят значително както структурата на молекулата, така и функцията, която тя изпълнява.

Изследването засяга и една все още неразрешена биологична загадка. Ролята на изключително късите фрагменти ДНК, състоящи се от два нуклеотида е значително по-слабо проучена, отколкото функциите на аналогични РНК молекули. Въпреки това, възстановеният общ предшественик вече е предпочитал ДНК, а способността да се разграждат ДНК-динуклеотиди се е запазила при съвременните представители и на двете линии. Авторите считат тази постоянност за аргумент в полза на това, че късите фрагменти ДНК имат собствена биологична функция.

diDNase също са свързани с мобилни генетични елементи, а бактериалните нуклеази като цяло участват в поддържането на генома и в защитните процеси. Затова изследователите възнамеряват да изяснят дали изследваните ензими могат да помагат на бактериите да се противопоставят на вирусите. Засега тази роля остава хипотеза, а авторите изрично подчертават, че до евентуални биомедицински приложения има още дълъг път.