Ученые рассказали, как появился гемоглобин

Большинство биологических процессов осуществляются сложными белковыми комплексами, которые работают сообща. Эволюция подобных структур — одна из величайших загадок современной биологии, ведь промежуточные формы, из которых они возникли, уже не существуют.

Международная команда исследователей под руководством профессора Чикагского университета Джозефа Торнтона установила, что подобная структурная сложность может возникать благодаря очень простым механизмам. Исследователи определили эволюционное «недостающее звено», благодаря которому гемоглобин — многокомпонентная молекула, транспортирующая кислород в крови большинства позвоночных — появился из простых предшественников.

По словам ученых, для появления гемоглобина понадобились всего две мутации, которые случились примерно 400 миллионов лет назад. Статья об этом открытии опубликована в издании Nature.

Гемоглобин состоит из четырех протомерных частей. У взрослого человека они представлены двумя α- и двумя же β-цепями полипептидов. Протомеры образуют кольцеподобную структуру, в центре которой находится гем — комплекс протопорфирина с атомом железа. Интересно, что другие белковые молекулы, структурно похожие на полипептидные цепи гемоглобина, не образуют между собой связей.

Используя комбинацию статистических и биохимических методов, Торнтон и его коллеги совершили «молекулярное путешествие в прошлое». Это позволило им идентифицировать недостающее звено в эволюции гемоглобина — двухкомпонентный комплекс, состоящий из двух копий одного и того же белка и существовавший как минимум у последнего общего предка человека и акулы.

Эта молекула еще не обладала никакими свойствами, которые позволяли бы ей транспортировать кислород. Смоделировав возможные пути изменения этого древнего белка, ученые выяснили, что всего двух мутаций оказалось достаточно, чтобы образовался четырехкомпонентный комплекс, способный связывать молекулы O₂.

Традиционный взгляд на эволюцию биологической сложности предполагает, что эта самая сложность постепенно увеличивается долгое время путем множества мутаций, каждая из которых «одобряется» естественным отбором. Новое исследование показывает, что (по крайней мере, на молекулярном уровне) новые сложные формы могут быть созданы очень быстро.

«Мы были поражены, когда увидели, что такой простой механизм способен придать такие сложные свойства, — говорит Торнтон. — Это свидетельствует о том, что скачки в сложности могут происходить внезапно и даже случайно во время эволюции, создавая новые молекулярные объекты, которые в итоге становятся необходимыми для нашей биологии».