Роль секса в эволюции

karim

Одним из основных возражений против теории эволюции является утверждение о том, что точечные мутации не могут быть достаточными для происхождения такого разнообразия признаков и свойств живых существ которое мы имеем сейчас. Однако это возражение совершенно не учитывает той хитрости, благодаря которой эволюция может продвигаться семимильными шагами, то есть, полового процесса.
Как известно из школы, при формировании половых клеток происходит "перемешивание" двух копий ДНК доставшихся от обоих родителей, поэтому на выходе половая клетка имеет гибридную ДНК. Какой от этого профит можно посмотреть на слайдах, где раскрывается суть молекулярного спаривания как продвинутого аналога нормального полового процесса:

Если мы будем эволюционировать модельные организмы (бактерии или типа того) при помощи точечных мутаций, то улучшение полезных свойств будет только у 0,1% полученных мутантов, а если мы будем имитировать половой процесс (брать геномы двух или нескольких бактерий и перемешивать их то эволюционные преимущества появятся гораздо раньше и в больших количествах.

Такого рода техника позволяет значительно ускорить и улучшить процесс получения новых и полезных свойств даже по сравнению с естественным половым процессом, как можно видеть из этого слайда. То есть, мы, здесь и сейчас, можем ускорять эволюцию и играть с дизайном нужных организмов сколько нам вздумается.

Вот как это происходит, берут ген, кодирующий определенный белок у нескольких родственных видов, замешивают, и на выходе отбирают потомков с самыми лучшими свойствами.

А вот результаты такого замешивания. Для изучаемого фермента попытались смоделировать изменения которые усилили бы его активность, либо попытались сделать это точечными мутациями, в результате чего активность увеличилась в 16 раз. При использовании "полового замешивания" всего за три поколения активность фермента увеличилась несколько сильнее =).


Допустим у нас есть два варианта одного гена белка, различающихся по 25ти аминокислотам (какбы два родителя). Псевдополовое перемешивание этих двух вариантов может дать нам воистину неисчислимое количество различных потомков, то есть, кучу материала для отбора (здесь - искусственного, но в природе последствия ровно такие же - больше приспсоблений для освоения новых сред обитания, больше нового оружия для защиты и нападения, больше устойчивость к токсинам, голоданию, вымерзанию и т.п.).


На этом слайде показан результат разврата с участием четырех видов бактерий. Если давать этим бактериям скрещиваться только между своими соплеменниками, то их потомки-мутанты получат только 8ми кратное увеличение устойчивости к антибиотику. Если же их скрестить друг с другом то устойчивость потомков за то же количество поколений будет в 50 раз выше.


Ещё один пример полезности секса. Взяли два генома, продукты которых (для одного и того же фермента гидролазы) отличаются всего на 9 аминокислотных остатков из 498. Псевдополовое перемешивание привело к тому, что удалось не только улучшить активность фермента по отношению к его обычным субстратом, но и появиласб активность по отношению к 5ти новым!. То есть, простым половым процессом можно получить принципиально новые свойства белков.

Ну и на последок одно из коммерческих применений форсированной эволюции. Для производства пластмасс используются специальные бактерии, продуцирующие лактат. А поскольку лактат это кислота, чем больше они его производят, тем больше закисляется их среда обитания, что в конечном итоге приводит к их гибели. На слайде показано, что псевдополовым процессом (розовый столбик) удалось повысить выживаемость бактерий по сравнению с изначальным вариантом и двумя мутантами полученными обычным путём.
Слайды стырены из лекции Тима Стеммера "Directed Evolution by Molecular Breeding: a powerful and widely used process to solve complex industrial problems"
http://www.multimedia.ethz.ch/conferences/2009/latsis/?doi=1...

Sensor4ik

И еще раз спасибо Ерсуб за объяснение сложных биологических вещей простым языком.
Тем не менее, хотелось бы внести некоторые поправки. Прежде всего, необходимо четко разделить процессы естественной и искусственной эволюции, а также операции, производимые над отдельными генами и над целыми геномами.
Метод DNA-shuffling (или gene shuffling используемый для искусственной эволюции белков в нужном направлении (например, получение ферментов с улучшенными свойствами: термостабильностью, повышенной активностью к определенным субстратам, более широким оптимумом pH и температуры применим к отдельным генам. Суть его состоит в выделении генов сходных ферментов из разных источников, "раскусывании" этих генов на кусочки по несколько сотен пар оснований, смешении, лигировании (сшивании) фрагментов разных генов и экспрессии полученных химерных ДНК. Другими словами, перемешиваются очень маленькие фрагментики ДНК. Процесс действительно показал свою высокую эффективность для искусственного "совершенствования" отдельных генов.
В отличие от DNA shuffling в ходе процессов размножения происходит обмен протяженными гомологичными участками ДНК, не более 2-3 участков на хромосому (а это десятки и сотни генов). То есть эффективность естественной эволюции при таком обмене значительно ниже, чем искусственного процесса перемешивания ДНК. И хотя таким путем действительно можно достичь ускоренного распространения полезных признаков, то есть ускорения эволюционного процесса по сравнению с обычными точечными мутациями, для адекватного объяснения аномально высокой скорости естественной эволюции необходимо привлекать все механизмы изменения и обмена генетической информацией: точечные мутации, кроссинговер, обмен плазмидами и другими фрагментами ДНК, влияние ретро-вирусов и т.д.

karim

применим к отдельным генам
нет, он применим к целым геномам и даже к сообществам организмов (это уже было сделано)

karim

не более 2-3 участков на хромосому
посчитай сколько это вариантов для 22х пар хромосом
это уже не говоря о том что человеческий геном несколько сложнее бактериального и там есть свои пути для увеличения разнообразия =)

Sensor4ik

нет, он применим к целым геномам и даже к сообществам организмов
Круто! Спасибо за инфу, не знал.

sed777771

И еще раз спасибо Ерсуб за объяснение сложных биологических вещей простым языком.
Спасибо Тиму Стеммеру. И благодарность ЕрСуб за популяризацию исследований.

toxin

А как производят это самый shuffling физически? Если просто разрезать днк то они могут склеится в другом порядке (cкажем кусок abc c куском yz) да и вообще с чего это они должны склеиваться? Или shuffling делают цифровым способом, затем синтезируют полученную последовательность ДНК и встраивают в клетки?

karim

Basilio ты хоть какой-нибудь факультет заканчивал?
если тебе так трудно с пониманием контента треда - задавай вопросы, не стесняйся

karim

вот нашла картинку (вторая страница)
http://www.pioneer.com/CMRoot/Pioneer/research/pipeline/broc...
у кусков днк остаются "липкие концы", которые могут склеиваться только с гомологичными концами их партнеров
то есть, в местах склейки последовательности комплиментарные:
 ATCGGTTTGAAAACG
CTTTTGCAATGGGC

toxin

Теперь (особенно после просмотра 2 страницы презентации) все стало на свои места. Остался только вопрос где ученые были раньше, ведь методика довольно проста. :grin:

karim

ну развитие молекулярной биологии идет по экспоненте, поэтому куча всего фундаментального сделали именно в последние годы =)
(это связано также с количеством людей вовлеченных в процесс, раньше все шли двигать физигу вместо того чтобы делом заниматься, при этом если смотреть прогресс по физике с 1960х, когда она была дика в моде, то какбы и нет ничего принципиального

Gmalina

она была дика в моде, то какбы и нет ничего принципиального
А по каким критериям ты отличаешь принципиальное от не принципиального?

karim

можно по разным оценивать
с 60х биология изменилась колоссально как сама по себе, так и по степени влияния на мир, в двух словах и не опишешь =)
от развития молекулярки сейчас зависит как долго будет жить наше поколение, потому что именно сейчас открываются и внедряются новые лекарства от рака, сердечных болезней и старческого маразма =)
ну а про вклад молекулярки в питание и как следствие - чрезмерное размножение человечества, и говорить не приходится - попробуй найди нетрансгенную сою и это толкьо капля в море
а чего за это время сделала физика и как это отразилось на человеках? =)

Mausoleum

а чего за это время сделала физика и как это отразилось на человеках? =)
А ты не в курсе? Тогда немедленно выключай компьютер и выкидывай мобилу, возвращайся в середину прошлого века.

mab1

> а чего за это время сделала физика и как это отразилось на человеках? =)
физика примерно за это время изобрела нелюбимую мной деятельность: компьютерные симуляции. А также ряд приборов и методов. Которые (симуляции, приборы и методы) позволили биологам открывать и внедрять новые лекарства от рака, сердечных болезней и старческого маразма.

karim

это не физика, это инжынеры сделали напару с математиками
а вот физики никаикх фундаментальных штук так и не открыли, несмотря на все усилия и поголовное погружение в эту область :p

demiurg

Хорош. Эта позиция основана на невежестве.

mab1

ничего подобного, это сделали именно физики. Обрати внимание, что про биоинформатику я ни слова не сказал: к ней физики действительно руку не приложили. А вот большинство основных достижений в симуляциях, начиная с самой идеи делать симуляции и с идеи делать симуляции на компьютере, сделали физики для решения своих физических задач.
То же самое касается приборов и методов.
> а вот физики никаикх фундаментальных штук так и не открыли
С 1960х годов было открыто до фига всего, начиная с ВТСП и ГМС и заканчивая памперсами.

karim

не мешай, видишь как койяфо возбудился? :p

olga58

а single molecule experiments. примерно 85% физики, 10% биологии, 5% химии.

Gmalina

а чего за это время сделала физика и как это отразилось на человеках? =)
Сложный вопрос =)
Чтобы далеко не ходить возьмем тупо нобелевку этого года: первый пункт это оптоволокна, теоретическое предсказание и затем практическое получение предельно низких потерь в волоконных линиях. Собственно интернет. Глобальнее влияние как на все человечество, конечно, точно не знаю, но на нас с вами точно
второй - CCD-матрица. Цифровым фотоаппаратом пользуешься?

Lenn

http://www.polit.ru/science/2010/01/06/markov.html
что думаешь по поводу этой статьи?

ulia06

не мешай, видишь как койяфо возбудился?
а какой тебе в этом кайф?
Сначала умные вещи пишешь, потом вдруг начинаешь получать удовольствие от малодостойного поведения.
Зачем?
Вроде не дура же. Если ему ухо отрезать -он тоже "возбудится", смысл в чем?

madina

Одним из основных возражений против теории эволюции является утверждение о том, что точечные мутации не могут быть достаточными для происхождения такого разнообразия признаков и свойств живых существ которое мы имеем сейчас.
главное возражение - как получилась жывая клетка из не-клетки.
система согласованно работающих наноавтоматов-белков, кислот и жиров, не имеющих смысла вне целой клетки и не умеющих образовываться/размножаться по-отдельности.

karim

наноавтоматов-белков, кислот и жиров

мехмат?
Оставить комментарий
Имя или ник:
Комментарий: