Onderzoekers van de Anschutz Medical Campus van de Universiteit van Colorado en het University College London hebben een nieuwe theorie van moleculaire evolutie ontwikkeld, inzicht geven in hoe genen functioneren, hoe de mate van evolutionaire divergentie kan worden voorspeld, en hoe schadelijke mutaties ontstaan ​​op basisniveau.

"Moleculen vormen de basis van al het leven en we wilden weten waarom moleculen evolueren zoals ze doen, " zei co-auteur van de studie David Pollock, doctoraat, hoogleraar biochemie en moleculaire genetica aan de CU School of Medicine.

Pollock en medeauteur Richard Goldstein, doctoraat, hoogleraar infectie en immuniteit aan het University College London, publiceerde de studie op 23 oktober, 2017 in het journaal Natuurecologie en evolutie .

Hun theorie van evolutionaire mechanica transformeert evoluerende moleculaire systemen in een raamwerk waar de instrumenten van statistische mechanica kunnen worden toegepast, een nieuw venster openen in hoe eiwitevolutie werkt.

"De aanpak berust op het begrijpen van eiwitten als geïntegreerde systemen, " zei Goldstein. "Te vaak negeren we interacties tussen verschillende delen van een eiwit, maar we weten dat veranderingen in een deel van het eiwit latere veranderingen in andere delen beïnvloeden. Het blijkt dat dit erg belangrijk is om te begrijpen waarom deze moleculen evolueren zoals ze doen."

Eiwitten veranderen voortdurend naarmate mutaties gefixeerd of geëlimineerd worden, afhankelijk van de eiwitstructuur, functie en stabiliteit. Dit hangt af van aminozuurinteracties in het eiwit die ervoor zorgen dat evolutie op de ene plaats de kans op evolutie op andere plaatsen verandert.

De wetenschappers ontdekten dat ze de snelheid van eiwitevolutie konden voorspellen op basis van hun biochemische eigenschappen.

"Dit was een echte verrassing, " zei Pollock. "Onze theorie verklaart de bekende populatiegenetische effecten zoals selectiekracht en effectieve populatieomvang, maar ze vallen uit de laatste vergelijkingen die de snelheid van moleculaire evolutie voorspellen."

Voor jaren, onderzoekers zijn op problemen gestuit met standaardmodellen van moleculaire evolutie die worden gebruikt bij het bestuderen van de evolutionaire relaties tussen soorten. Dit leidde tot problemen bij het reconstrueren van belangrijke evolutionaire gebeurtenissen in voorouderlijke organismen.

Deze patronen van moleculaire convergentie bleken in de loop van de evolutionaire tijd regelmatig te veranderen op manieren die duidden op voortdurend fluctuerende beperkingen in verschillende delen van eiwitten.

"Hierdoor wordt het gebruikelijke idee omgedraaid dat de aminozuren zich zullen aanpassen aan de eisen van de rest van het eiwit, " zei Goldstein. "Maar we konden niet precies uitleggen waarom dit gebeurde, of er enige regelmaat in het proces was."

Maar toen het systeem eenmaal in een statistisch mechanica-raamwerk was geplaatst, de omvang van de verankering van aminozuren werd gezien als cruciaal voor het begrijpen van de mate van evolutionaire divergentie.

De onderzoekers zeiden dat de kracht van selectie in eiwitevolutie wordt gecompenseerd door de sequentie-entropie van vouwen, het aantal sequenties dat een eiwit een bepaalde mate van stabiliteit geeft.

"We zien de andere aminozuren graag als een stel kinderen die op een traagschuimmatras springen terwijl je erop probeert te lopen, "Zei Pollock. "Meestal zijn je voeten verzonken in de matras en kun je niet naar voren stappen, maar af en toe maken de kinderen een deuk in de matras waardoor je een stap voor kunt blijven."