Haluan kiittää Sammeli Juntusta ja Jussi Tuusaa perusteellisista ja ystävällisistä kirjani arvioista. Kumpikin oli nähnyt paljon vaivaa ja lukenut kirjan huolella läpi. Kirjani päätavoite oli osoittaa miten maailmankuvallisesti sitoutunutta evoluutioon liittyvä keskustelu on. Kirjaa ei ole tarkoitettu syvälliseksi evoluutioteorian kritiikiksi. Sitä varten suosittelin Evoluutio – kriittinen analyysi -kirjaa. Nostan hattua Tuusalle, että hän oli lukenut myös tämän kirjan.

En ole kovin innostunut käymään nopeatempoista nettikeskustelua, koska se jää yleensä melko pinnalliseksi erilaisten argumenttien heittelyksi oman näkemyksen tukemiseksi. Yksi väite vaatii kuitenkin pohtimista. Jussi Tuusan mukaan evoluution sattumaprosessin on osoitettu synnyttävän informaatiota ja Sammeli Juntusen ”mututuntuma” johtaa epäilemään tätä.

Tuusa ottaa muutamia biokemiallisia esimerkkejä, joiden hän katsoo tukevan evoluutiohistoriallista näkemystä. Hän mainitsee konservoituneet rakenteet, jotka jo harhaanjohtavasti terminä viittaavat evoluutioprosessiin. Saman rakenteen esiintyminen eri eliöissä ei kerro mitään itse rakenteen synnystä. Kinaasi-inhibiittorien rakenteettomat osat (intrinsically disordered proteins) eivät myöskään selitä niiden alkuperää. Vaikka meillä onkin tuoleja, jotka muuttavat muotoaan istujan mukana, täytyy niidenkin alkuperä selittää.  Yksinkertaisten muotoaan muuttavien tuolien lisäksi on olemassa myös monimutkaisia jousilla ja moottorilla varusteltuja tuoleja. Toivotan Tuusan lämpimästi tervetulleeksi keskustelemaan näistä kysymyksistä BIO-Complexity-lehden sivuille, koska kyseinen lehti on juuri sitä varten tarkoitettu.

Otan esille tässä yhteydessä vain yhden Tuusan mainitseman esimerkin ja yritän tehdä sen mahdollisimman yleistajuisesti, koska harva tätä keskustelua seuraava on perehtynyt molekyylibiologiaan tai entsyymikinetiikkaan.

Aloitan analogialla. Suomen kielessä on 29 kirjainta. Niistä voi muodostaa vaikka minkälaisia sanoja ja lauseita, joista kuitenkin vain pieni osa sisältää merkityksen. Tämä merkitys tunnistetaan kieliopin sääntöjen avulla. Sanat ”Sammeli” ja ”Juntunen” sisältävät 15 kirjainta. Viidentoista kirjaimen sanoja voi aakkosista muodostaa 29¹⁵. Proteiinien kieli on kirjoitettu 20 aminohapon avulla. Koska keskimääräinen proteiini sisältää noin 300 aminohappoa, voi aminohapoista rakentaa 20³⁰⁰ tämän pituista molekyyliä.

Tutkijat ovat yleisesti ottaen yhtä mieltä siitä, että vain pieni osa kaikista mahdollisista proteiinirakenteista kykenee laskostumaan ja synnyttämään vakaan 3-ulotteisen rakenteen. Siitä, kuinka suuri tämä osa on, on käyty paljon keskustelua tieteellisessä kirjallisuudessa. Vuonna 1976 Hubert Yockey (1) arvioi, että todennäköisyys löytää yksi sytokromi c -nimisen proteiinin rakenne sattumanvaraisten aminohappoketjujen joukosta on noin 10^–65. Bakteeriviruksen repressorille Reidhaar-Olson ja Sauer (2) arvioivat todennäköisyyden olevan 10^–63. Penisilliiniä pilkkovan beeta-laktaamaasin mutaatiotiedon perusteella Douglas Axe (3) arvioi, että todennäköisyys aktiivisen rakenteen löytämiseksi olisi 10^–77 – 10^–53. Näitä lukuja voi verrata Maan oletetun historian aikana syntetisoitujen proteiinimolekyylien kokonaismäärään, joka on suuruusluokaltaan noin 10⁵⁰ (4). Näiden lukujen valossa Maan oletetun 4,5 miljardin vuoden historian aikana sattumanvarainen aminohappojen ketjuttaminen ei olisi synnyttänyt yhtäkään luonnonvalinnan suosimaa toimivaa proteiinirakennetta.

Katsotaanpa sitten Jussi Tuusan antamaa esimerkkiä informaation sattumanvaraisesta synnystä. Hän viittaa Nobel-palkitun Jack Szostakin työryhmän töihin. Ryhmä on noin 20 vuoden ajan kehittänyt sattumanvaraisia yli 10¹² (miljoona miljoonaa) molekyyliä sisältäviä kirjastoja ja pyrkinyt löytämään toimivia RNA- ja proteiinirakenteita kirjaston molekyylien joukosta (5,6). Vuonna 2001 ryhmä kertoi eristäneensä neljä ATP:tä sitovaa proteiinia 6 x 10¹² sattumanvaraisen proteiinin kirjastosta (7). Proteiinit koostuivat 80 aminohaposta.

Tämän perusteella he arvioivat, että toimivia proteiinirakenteita voisi löytyä tämän kokoisten aminohappojen joukosta todennäköisyydellä 10^–11.  Ei ole kuitenkaan mitenkään yllättävää, että joku sattumanvarainen proteiini sitoo heikosti ATP:n kaltaista molekyyliä. Olemme Ossi Turusen kanssa pohtineet vuoden 2009 artikkelissamme tämän tuloksen merkitystä ja päätyneet siihen, että kyseessä ei ole todellinen entsyymi (8). Samoja ajatuksia olin esittänyt jo vuonna 2007 pidetyssä tiedekokouksessa (9), johon osallistui myös elämänsyntytutkija Stanley Millerin kollega Arthur Weber. Kun tämä keinotekoinen proteiini myöhemmin vietiin soluun, se häiritsi solun energiatasapainoa ja toimi antibiootin tavoin eli oli elämää tappava yhdiste (10). Johtopäätöksenä voidaan todeta, että jos luonnossa olisi syntynyt tällainen molekyyli, niin solu jossa se olisi syntynyt, olisi jäänyt ilman jälkeläisiä.

Tällaisen molekyylin syntymisen todennäköisyys solussa olisi ollut kuitenkin todellisuudessa paljon pienempi kuin 10^–11, koska sattumanvaraiset DNA:n mutaatiot synnyttävät proteiinisynteesin pysäyttäviä stop-kodoneja ja lukukehysmutaatioita, joiden synty kokeessa estettiin älykkäällä koejärjestelyllä. On myös tärkeää tehdä ero koeputkitulosten (in vitro) ja soluissa syntyneiden mutaatioiden (in vivo) välillä.

Esimerkiksi trioosifosfaatti-isomeraasi-nimisen entsyymin aktiivisista mutanteista vain pieni osa, yksi kymmenestä miljardista toimi oikein solussa (11). Tämä saattaa osittain johtua siitä, että oikeallakaan aminohappojärjestyksellä varustettu proteiini ei välttämättä muodosta oikeaa rakennetta vaan yksittäiset molekyylit takertuvat toisiinsa hyvin herkästi. Se on myös eräs syy miksi Szostakin ryhmä tuotti vain pieniä, 80 aminohaposta koostuvia, sattumanvaraisia polymeerejä ja näidenkin liukoisuus oli huono. Siksi solussa on ns. kaperoneja, jotka auttavat proteiinia saamaan oikean muodon.

Lisäksi on huomattava, että ATP:hen ja muihin nukleotideihin sitoutuvat proteiinit ovat kaikkein yleisimpiä: esimerkiksi NAD(P):tä sitovia Rossman-domeeneja on yli 70.000 ja nukleotiditrifosfaattihydrolaaseja on lähes 200.000 erilaista sekvenssiä (12).

Katsotaan Tuusan mainitsemia Szostakin ryhmän uusimpia tuloksia hieman tarkemmin ja pohditaan miten ne todistaisivat informaation sattumanvaraista syntyä (13, 14). Ryhmä on hyödyntänyt yli 20 vuoden aikana kehitettyjä menetelmiä, ottanut nyt lähtökohdaksi 460 aminohappoa sisältävän proteiinin joka luonnossa sitoutuu DNA:han ja tehnyt sen kahteen tarkasti valittuun osaan (yhteensä 21 aminohappoa) sattumanvaraisia mutaatioita.

Ryhmä tuotti molekyylikirjaston, jossa oli yli 10¹² muunnosta. Näiden joukosta he löysivät molekyylin, joka toimi ligaasi-nimisen entsyymin tavoin liittäen aktivoidun RNA-molekyylin yhteen toisen RNA-molekyylin kanssa. Syntyneitä aktiivisuuksia vahvistettiin suunnatun evoluution menetelmällä. Termi suunnattu evoluutio on hiukan ristiriitainen käsite, joka on yleistynyt tiedelehdistössä. Jos evoluutio ei toimi kuin ohjattuna, ei se enää ole sattumanvaraista, eli darvinismi falsifioituu.

On mielenkiintoista, että ryhmä vertaa saamiaan aktiivisuuksia spontaaniin reaktioon. Todellisessa evoluutiossa luonnonvalinta vaikuttaa vasta kun entsyymi toimii useita kertaluokkia paremmin kuin spontaani reaktio. Luonnonvalinta ei kykene valitsemaan sitä, mikä on vain hieman parempi kuin huonoin mahdollinen.

Millainen ryhmän tuottama ”entsyymi” on ominaisuuksiltaan? T4 DNA-ligaasin, joka luonnossa tekee vastaavan reaktion, kinetiikkatutkimus julkaistiin äskettäin (15). Kun Seeligin ja Szostakin tuottaman ”entsyymin” tehokkuutta verrataan yleisesti entsyymikinetiikassa käytettyjen mittareiden (k_cat/Km) avulla tähän luonnolliseen ligaasiin, on se noin 10 miljoonaa kertaa huonompi. Tutkijat myös hieman harhauttivat, koska käyttivät kohdemolekyyliä johon oli liitetty korkeaenerginen trifosfaattiryhmä. Reaktiosta tuli näin yksivaiheinen. Luonnossa reaktio on monivaiheinen kahden substraatin reaktio. Luonnolliset ligaasit sitovat ensin ATP:tä ja reagoivat sen kanssa ennen kuin sitoutuvat DNA-molekyyliin. Nyt tuotettu molekyyli ei toimi näin. Tämän perusteella on mahdollista, että tutkijat eivät olleet tuottaneet todellista entsyymiä.

He toteavatkin katalysoidun reaktion olevan ei-luonnollinen ja uskovansa, että synteettisen biologian menetelmillä on mahdollista suunnitella entsyymejä, jotka katalysoivat reaktioita, joita luonnolliset entsyymit eivät katalysoi.

Vastaavien aikaisempien tulosten perusteella on kyseenalaista, että ryhmän tuottamat ”ligaasientsyymit” toimisivat solussa. Oletetaan, että näin kuitenkin tapahtuisi ja arvioidaan tulosten merkitystä hyvin karkealla tasolla. Ryhmä tuotti 4 x 10¹² mutanttiproteiinia. Analysoituaan tulokset tutkijat päätyivät tulkintaan, jonka mukaan sattumanvaraisille mutaatioille altistetuista kahdesta kohdasta vain toisen kohdan 9 aminohappoa vastasivat havaitusta ligaasiaktiivisuudesta. Näistä 4 oli läsnä kaikissa aktiivisissa proteiineissa. Eschericia coli -bakteerin mutaatiofrekvenssi tiettyä nukleotidiä kohden on suuruusluokkaa 10^–10.  Neljän aminohapon löytymisen todennäköisyys on silloin korkeintaan 10^–40.  Tarvitaan siis suuruusluokkaa 10⁴⁰ bakteeria, että löytyisi solu, jossa kyseiset mutaatiot tapahtuisivat tietyssä DNA:n kohdassa. Tämän verran bakteereita on maapallolla ollut arviolta miljardin vuoden aikana yhteensä.

Miten tutkijat sitten kuitenkin löysivät ligaasiaktiivisuutta? Tämä johtui siitä, että he rajasivat sattuman vaikutuksen hyvin pieneen osaan valittua luonnollista proteiinia.Jos aktiivisuuteen tarvittaisiin kaikki yhdeksän täsmälleen oikeaa aminohappoa, tämä aktiivisuus olisi mahdollista löytää tässä kokeessa 2 x 10^–12 todennäköisyydellä. Jos sen sijaan vain neljä täsmälleen oikeaa aminohappoa riitti aktiivisuuteen, todennäköisyys on jo 6,2 x 10^–6.

Mitä voimme päätellä Szostakin ryhmän yli 20 vuotta jatkuneista yrityksistä löytää ”neulaa heinäsuovasta” eli sattumanvaraisten proteiinirakenteiden joukosta aktiivisia proteiineja (entsyymejä). Todistavatko ryhmän saavuttamat tulokset, että biologisesti aktiiviset proteiinit ovat darvinistisen mekanismin tavoitettavissa? Evoluutiolasien läpi katsottaessa voidaan todeta, että jotain pientä värinää nollatason yläpuolella on saatu aikaiseksi joten toivo elää edelleen.

Evoluutiomekanismin suorituskyvyn kannalta tulokset ovat masentavia; huolimatta yli kahdenkymmenen vuoden kokeellisista tutkimuksista, joissa on käytetty hyväksi kaikkia modernin geenitekniikan työvälineitä, tietokonepohjaista suunnittelua, luonnollista entsyymiä lähtökohtana ja annettu sattumanvaraisten reaktioiden vaikuttaa vain pieneen osaan valittua proteiinia, jäi tulos kauaksi siitä mihin luonnollinen entsyymi kykenee. On hyvin mahdollista, että näin saatu vaatimaton entsyymi ei toimisi solussa.

Evoluutiouskon ihmemaassa pienikin onnistumiseen viittaava tulkitaan paljon vaatimatonta tulosta merkittävämmäksi. Millerin koetulokset herättivät aikanaan valtavan innostuksen naturalistiseen elämän syntyyn uskovien joukossa. Samanlaisen innostuksen ovat synnyttäneen Lenskin työryhmän tulokset lähes 60.000 bakteerisukupolven kasvatuksen jälkeen; lopultakin evoluutio oli osoitettu myös käytännössä toimivaksi, vaikka todellisuudessa oli syntynyt vain pieniä muunnelmia. Weizmann-Instituutin tutkija professori Dan Tawfik toteaa entsyymien alkuperää pohtiessaan aivan oikein että ”mikään ei kehity ellei se ole jo olemassa… ja proteiinien alkuperä lähentelee ihmettä” (16).

Yhteenveto

(1) Jussi Tuusa kritisoi kirjassani esittämääni väitettä, että kokeellinen evoluutiotutkimus ei ole pystynyt osoittamaan esimerkiksi uuden entsyymiaktiivisuuden syntyä (luku 12.1).

(2) Tähän Tuusa toteaa, että ”kyllä on: RXRa-reseptorin on osoitettu muuntuvan ohjatussa evoluutioprosessissa täysin uudenlaiseksi rakenteeksi, joka ilmentää uutta RNA-ligaasi-aktiivisuutta.”

(3) Tutkimus, johon Tuusa viittaa, on jatkumo Jack Szostakin työryhmän yli 20 vuotta jatkuneelle työlle löytää sattumanvaraisesti tuotettujen lyhyiden proteiiniketjujen joukosta biologisesti aktiivisia molekyylejä. Tutkimus on kiinnostava ja antaa vihjeitä siitä, että tarkoin suunnitellussa ja ohjatussa evoluutioprosessissa on mahdollista synnyttää entsyymitoimintaa muistuttavia aktiivisuuksia. On kuitenkin huomattava, että ohjattu evoluutioprosessi ei ole enää sattumanvarainen. Tutkimuksessa, käytettiin luonnollista proteiinia lähtökohtana. Vain pieni osa siitä altistettiin sattumaprosessille. Näin sattumaa ”autettiin” löytämään aktiivisuus yli biljoonan mutaation proteiinikirjastosta. Jos koko proteiini olisi altistettu sattumalle, olisi rakenne todennäköisesti nopeasti rappeutunut. Tuotettu aktiivisuus oli hyvin vaatimatonta tasoa luonnollisiin entsyymeihin verrattuna ja jää nähtäväksi toimisiko kyseinen molekyyli solussa.

(4) Biokemistinä Tuusa ymmärtää hyvin, että kyseessä ei ollut todellinen luonnossa havaittava reaktio (jonka tutkijat itsekin myöntävät) joten kuvattua prosessia ei ole koskaan tapahtunut luonnossa. Szostakin ryhmän tekemissä kokeissa suunnittelu tuotiin koejärjestelyyn mukaan monin eri tavoin. Tiedämme, että darvinistinen mekanismi toimii luonnossa ja se voi johtaa hämmästyttäviin tuloksiin (esimerkiksi antibioottiresistenssin nopea leviäminen). Kysymys on lopulta siitä kykeneekö se kaikkeen mihin sen väitetään kykenevän ja sallitaanko sen rinnalle tieteelliseksi selitysmalliksi suunnitteluhypoteesi. Tuusan kanssa olen samaa mieltä siitä, että luonnontieteellinen tutkimus ei ole valmista ja ”Evoluution mekanismien ymmärtäminen on täysin kesken”. Olen kuitenkin eri mieltä siitä, että “elämän diversiteetin kehittyminen yhteisestä kantamuodosta muuntelun ja valinnan kautta” olisi pitävä selitys. Juuri mekanismien selvittäminen on luonnontiedettä, evoluutiotarinoiden kertominen taas monenlaisten uskomusten värittämiä kertomuksia historiasta.

Kiitokset

Olen keskustellut tekstin sisällöstä usean ystäväni kanssa. Erityisesti kiitän biokemistejä Douglas Axea, Branko Kozulicia, Ossi Turusta ja Pauli Ojalaa ja lopuksi myös Otto Pellistä, joka auttoi tekemään tekstistä ymmärrettävää.

Viitteet

1. Yockey HP (1977) A calculation of the probability of spontaneous biogenesis by information theory. J Theor Biol 67:377-398. http://dx.doi.org/10.1016/0022-5193(77)90044-3
2. Reidhaar-Olson JF, Sauer RT (1990) Functionally acceptable substitutions in two α-helical regions of λ repressor. Proteins 7:306-316. doi: 10.1002/prot.340070403
3. Axe DD (2004) Estimating the prevalence of protein sequences adopting functional enzyme folds. J Mol Biol 341:1295-1315. doi:10.1016/jmb.2004.06.058
4. http://rsif.royalsocietypublishing.org/content/5/25/953.long; viite löytyy perusteellisesta proteiinien ja geenien alkuperää pohtivasta artikkelista: Kozulic B (2011) Proteins and Genes, Singletons and Species: http://vixra.org/abs/1105.0025
5. Bartel DP, Szostak JW (1993) Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences. Science 261(5127):1411-8. doi:10.1126/science.7690155
6. Roberts RW, Szostak J (1997) RNA-peptide fusions for the in vitro selection of peptides and proteins, Proc Natl Acad Sci USA 94:12,297
7. Keefe AD, Szostak JW (2001) Functional proteins from a random-sequence library. Nature 410:715-718. doi:10.1038/35070613

8. Leisola M, Turunen O (2007) Protein engineering: opportunities and challenges. Appl Microbiol Biotechnol 75: 1225-1232. doi:10.1007/s00253-007-0964-2. Perusteellinen analyysi Szostakin ryhmän tuloksesta löytyy täältä: http://creation.com/native-folds-in-polypeptide-chains-6

9. Leisola M, Turunen O (2006) Possibilities and limits of protein engineering. Proceedings of the third symposium of International Society of Rare sugars, Takamatsu, Kagawa, Japan, November 21st-24th, 2006, p. 1-5.
10. Stomel JM et al. (2009) A man-made ATP binding protein evolved independent of nature causes abnormal growth in bacterial cells. PLoS ONE 4:e7385. doi:10.1371/journal.pone.0007385
11. Silverman JA, Balakrishnan R, Harbury PB (2001) Reverse engineering the (β/α)8 barrel fold. Proc Natl Acad Sci USA 98:3092-3097. doi:10.1073/pnas.041613598
12. Dessailly BH et al. (2009) PSI-2: Structural genomics to cover protein domain family space. Structure 17: 869-881. doi:10.1016/j.str.2009.03.015
13. Seelig B, Szostak JW (2007) Selection and evolution of enzymes from a partially randomized non-catalytic scaffold.  Nature, 448: 828-833. doi: 10.1038/nature06032
14. Chao F-A et al. (2013) Structure and dynamics of a primordial catalytic fold generated by in vitro evolution. Nat Chem Biol 9:81-83. doi:10.1038/nchembio.1138
15. Gregory J S (2011) Kinetic Characterization of Single Strand Break Ligation in Duplex DNA by T4 DNA Ligase. J Biol Chem 286: 44187–44196. doi: 10.1128/MCB.23.16.5919-5927.2003
16. http://www.asbmb.org/asbmbtoday/asbmbtoday_article.aspx?id=48961

Matti Leisola on Aalto-yliopiston bioprosessitekniikan emeritusprofessori.