Analiza zapletenih omrežij proteinov, najpomembnejših sestavin vseh živih celic, omogoča nove vpoglede v biološko evolucijo. Skupina slovenskih znanstvenikov na univerzi Stanford, v kateri so sodelovali računalničarji in biologi, je pod vodstvom prof. dr. Jureta Leskovca analizirala 1840 vrst organizmov, vse od bakterij do primatov, z namenom, da bi pojasnili, kako se proteinska omrežja skozi milijone let biološke evolucije odzivajo na nepredvidljive dogodke v okolju in drastične spremembe, ki ogrožajo življenje.



V članku o evoluciji proteinskih omrežij v živih bitjih, ki je pred kratkim izšel v eni najuglednejših znanstvenih revij, Proceedings of the National Academy of Sciences, slovenski avtorji Marinka Žitnik, Rok Sosič in Jure Leskovec ter Avstralec Marcus Feldman poudarjajo, da je kljub napredku v razumevanju DNK le malo znanega o osnovnih zakonitostih, ki vplivajo na razvoj omrežja interakcij med proteini v celici. Njihova raziskava je pokazala, da so živa bitja razvila mehanizme, ki omogočajo proteinskemu nanostroju, da najde rešitve v zahtevnih okoliščinah in uspešno deluje kljub morebitnim okvaram.

Še nobena študija ni obravnavala toliko vrst živih bitij z namenom, da bi odkrila strategijo preživetja, ki je skupna vsem živim bitjem, to je razvoj prilagodljivega in odpornega celičnega molekularnega stroja. »Analiza je pokazala, da imajo bolj odporni in višje razviti organizmi takšno strukturo omrežja interakcij med proteini v celici, ki je vzdržljiva in lahko kljub poškodbam ohrani organizem pri življenju,« pravi vodja raziskave Jure Leskovec, profesor računalništva na Stanfordu, raziskovalec v Chan-Zuckerbergovem biohubu in sodelavec inštituta za nevroznanosti Wu Tsai.


 

Mehanizmi evolucije na molekularni ravni

Kot poudarja Marcus Feldman, profesor biologije na univerzi Stanford, je to doslej najbolj zahtevna raziskava, opravljena z namenom, da bi pojasnili, kako silnice biološke evolucije spreminjajo strukturo interaktoma, to je proteinskega omrežja, ki opisuje strukturo celičnega nanostroja, ki omogoča življenje. »Prizadevamo si, da bi odkrili mehanizme evolucije na molekularni ravni, pri čemer uporabljamo orodja analize omrežij za raziskovanje strukture proteinskega omrežja, ki je ključno za življenje,« dodaja Feldman.



Za izvedbo raziskave je Marinka Žitnik, podoktorska raziskovalka na Stanfordu, sestavila bazo podatkov za 1840 vrst organizmov, ki vsebuje 9 milijonov interakcij med poldrugim milijonom proteinov. Z razvojem novih računskih tehnik so skušali razkriti zakonitosti v evoluciji interaktoma. Predvsem so želeli pojasniti, kako proteinski nanostroji delujejo, ko odpove kakšna komponenta, na primer mutacija življenjsko pomembnega proteina. Na podatkih so opravili eksperimente, da bi ugotovili, kako se omrežja proteinov odzivajo na okvare. Z računalniško analizo so sistematično izločili določen del proteinov vsakega organizma, pri čemer so ves čas preverjali, ali organizem še lahko vzdržuje varnostni sistem in svojemu proteinskemu omrežju še nadalje omogoča delovanje ter podpira življenje, vse dokler na neki točki okvara ni postala tako velika, da je povzročila razpad omrežja. To so naredili sistematično za vseh 1840 organizmov.

Po Leskovčevih besedah bi ta računski pristop lahko ponazorili s tem, da bi vrgli stekleno ploščo ob tla in nato prešteli, na koliko kosov se je prelomila. Če bi se odlomil samo majhen košček stekla, bi to pomenilo visoko stopnjo robustnosti in odpornosti. Podobno dokazuje, da je organizem odporen, če je njegovo proteinsko omrežje večinoma neokrnjeno, kljub temu da se pokvari nekaj proteinov. »Naša raziskava je pokazala, da organizmi povečujejo možnost preživetja tako, da njihova proteinska omrežja postajajo bolj odporna proti okvaram in tako dlje ohranjajo celico pri življenju,« dodaja Leskovec.
 

Čedalje bolj odporna omrežja proteinov

Spoznanja o odpornosti proteinskih omrežij so raziskovalci potrdili še na en način: svoj računski pristop za merjenje odpornosti in vzdržljivosti proteinskih omrežij so v nadaljevanju študije uporabili za primerjavo organizmov skozi celotno zemeljsko zgodovino. Iz fosilnih zapisov in raziskav DNK so približno vedeli, v kakšnem zaporedju so se organizmi razvili na Zemlji. Če odporno in vzdržljivo omrežje proteinov prinaša evolucijsko prednost, so predpostavili, da bi morali imeti organizmi, ki so šli skozi več evolucijskih sprememb, bolj odporna proteinska omrežja kot preproste oblike življenja. In točno to je raziskava tudi pokazala.

»Evolucija je v milijardah let razvila omrežja proteinov, ki so postajala čedalje bolj odporna proti poškodbam,« poudarja Leskovec in dodaja, da bi skupne raziskave genoma in interaktoma omogočale boljše razumevanje zgodovine življenja. »V genomu so shranjene informacije o tem, kako so organizmi zgrajeni in kako so se skozi zemeljsko zgodovino razvijali. Naša raziskava dokazuje, da ima interaktom zelo pomembno vlogo v evoluciji. Genski zapis na genomu ustvarja in ureja proteinska omrežja. Robustna omrežja omogočajo večjo zalogo mutacij, saj posamezna mutacija, to je odpoved proteina, organizma ne pokonča. Velik zalogovnik nevtralnih mutacij pa omogoča hitro prilagoditev organizma na drastične spremembe v okolju, zaradi česar postane bolj sposoben preživeti v novih habitatih.

V nekaterih primerih so prilagoditve za organizem tako uporabne, da jih njegov genom ohrani, kar omogoča, da se tovrstne proteinske izboljšave lahko dedujejo. Zgolj analiza genskega zapisa tega ne more pojasniti. Globlji vpogled in boljše razumevanje mnogih lastnosti živih organizmov bi v prihodnosti lahko pridobili z raziskavami proteinov in računalniškimi analizami omrežij njihovih interakcij,« sklene prof. Leskovec.