En hård nød at knække

Det næste eksempel er det mest lovende eksempel jeg har set på at tilfældige mutationer kan skabe ny information. Til gengæld er det kompliceret. Fyld kaffekoppen op, sæt dig et roligt sted – og når du er igennem eksemplet, så er belønningen en langt dybere indsigt i biologiens verden.

En enkelt punktmutation har svært ved at tilføre ny information, og i det eksempel vi nu skal se nærmere på, er der tale om en serie på tre mutationer som arbejder på samme egenskab. Det drejer sig om jordbakterier som ved en tripel-mutation har lært sig at leve af xylitol som er et kunstigt sødestof der ikke findes i naturen66 ! Det betyder altså at vi ikke kan lede efter et eksisterende gen som har været inaktivt, og som nu igen er blevet slået til ved fx en inversion.

Normalt lever bakterierne af ribitol og D-arabitol som er sukkerstoffer. De har de enzymer og mekanismer der skal til, for at nedbryde og udnytte de to stoffer. Bakterierne blev i forsøget nægtet deres naturlige føde og blev i stedet for tilbudt xylitol. På figur 1.5 kan du se at det er næsten identisk med ribitol og D-arabitol, men kun næsten (Larabitol67 vender vi tilbage til senere i eksemplet). Xylitol er syntetisk, og bakterierne havde ingen forudsætninger for at nedbryde det.

Der opstod imidlertid en mutant som kunne leve af xylitol, og den blev isoleret og opformeret. Den første mutant kalder vi X1. Det gik langsomt, for den kunne kun nedbryde xylitol med 1/9 af den hastighed hvormed den behandler sin normale føde. Vi bør nok lige bemærke at det at denne mutant opstår, ikke er ualmindeligt68 .

Figur 1.5. Skema der viser den kemiske opbygning af tre sukkerstoffer

Forsøget fortsatte med vores X1-mutant, og det viste sig at endnu en ny mutant opstod – X2. X2 havde en vækst som var 2,5 gange hurtigere end den var hos X1. X2 blev isoleret og opformeret ligesom det skete med X1. Inden for kort tid opstod den tredje mutation – X3, og den var dobbelt så hurtig som X2. De videre studier viste, at der i alle tilfælde var tale om udskiftning af en enkelt base.

Det her ligner vitterligt de skridt vi leder efter for at kunne opfylde kriterierne for makroevolution, og det skete på kun få måneder i laboratoriet. For helt at forstå hvad der er sket, må vi gå de tre trin efter i detaljer.

Første trin – X1

Normalt lever den oprindelige bakterie af ribitol. Den transporterer den ind udefra, ind over membranen og nedbryder den i flere trin som hver især kræver et specifikt enzym. Det første af disse enzymer hedder ribitol dehydrogenase (RDH). Ribitol og det kunstige xylitol ligner hinanden meget, men RDH er så specifikt at det næsten kun kan nedbryde ribitol. Dog har det en meget langsom nedbrydning af xylitol også. Hvis RDH formår at nedbryde det første trin i omdannelsen af sukkeret, så foregår resten af processen problemfrit som for ribitol. RDH virker så dårligt på xylitol at det er utilstrækkeligt til at kunne give energi til bakterien. Faktisk bliver RDH slet ikke produceret når ribitol ikke er til stede, for det er det stof som tænder for produktionen.

Baggrunden for den specificitet kan ses på figur 1.6. Gen Y producerer RDH når det er tændt, men hvis det ikke får besked om at tænde og begynde produktionen, så bliver RDH ikke lavet. Normalt bliver det tændt af ribitol, men det kan jo ikke ske nu, for bakterien får ingen ribitol.

Der er flere problemer, for xylitol er et stort molekyle (makromolekyle), og store molekyler trænger normalt ikke passivt igennem membranen – de skal transporteres af

66 Mortlock, R. P., (1982). Metabolic acquisition through laboratory seletion,“ Annual Review of Microbiology, vol. 36, pp. 256-284. 67 Bogstavet D og L fortæller at atomerne om det centrale C er højre- eller venstredrejet i deres struktur. Stofferne er i princippet ens og indeholder samme atomer. L-formen er kunstig. 68 Lerner, S. A., T. T. Wu, and E. C. C. Lin, (1964). Evolution of a catabolic pathway in bacteria, Science, vol. 146. pp. 1313-1315. • Wu, T. T., E. C. C. Lin, and S. Tanaka, (1968). Mutants of Aerobacter aerogenes capable of ulilizing xylitol as a novel carbon, Journal of Bacteriology, vol. 96, pp. 447-456. • Rigby, P. W. J., B. D. Burleigh, and B. S.

Hartley, (1974). Gene duplication in experimental enzyme evolution, Nature vol. 251, pp. 200-204. • Burleigh, B. D.,

Ribgy, P. W. J., Hartley, B. S., (1974). A comparison of wildtype and mutant ribitol degydrogenase from Klebsiella aerogenes. Biochemical Journal vol. 143, pp. 341-352. • Inderlied, C. B. and R. P. Mortlock, (1977). Growth of Klebsiella aerogenes on zylitol: implications for bacterial enzyme evolution, Journal of Molecular Evolution, vol. 9, pp. 181-190. •

Thompson, L. W. and S. Krawiec, (1983). Acquisitive evolution of ribitol degydrogenase in Klebsiella pneumoniae, Journal of Bacteriology, vol. 154, pp. 1027-1031.

proteiner som er specialiseret til hver sukkerart. Dette protein kaldes en permease. Det er cellen der giver tilladelse til hvad den vil have ind, og hvad den ikke vil have ind. Vi har altså tre problemer som gør det temmelig umuligt at leve af xylitol. 1. Cellen producerer ikke RDH, fordi der ikke er ribitol til stede. 2. RDH har en meget langsom nedbrydning af xylitol. 3. Det normale transportsystem er designet til at transportere ribitol ind i cellen – ikke det kunstige xylitol. Problemerne blev løst ved en punktmutation i hvad som kan ses i (1) på figur 1.6. Mutationen har ødelagt genet der koder for det protein som blokerer dannelsen af RDH, og nu er der fuld blus på produktionen af RDH. Det var altså ikke en øgning i kompleksitet hos bakterien, men det modsatte der skete i det her trin. RDH er nu til stede i så stor mængde at det trods sin ringe evne til at nedbryde xylitol alligevel får nedbrudt en smule, nemlig nok til at bakterien får tilstrækkelig energi. Den lille smule xylitol der kunne diffundere igennem cellemembranen, viste sig at være tilstrækkelig til at føde bakterien. Det fungerede, men kun med 1/9 af den oprindelige hastighed i den ikke-muterede bakterie. Fremgangsmåden er måske ikke elegant, og der blev tabt information undervejs, men vi har en bakterie med en ny egenskab: X1 kan nu nedbryde xylitol! Andet trin – X2 Her blev væksthastigheden øget med 2,5 gange. Dette trin er det mest komplicerede. Mutationen er sket ved (2) i figur 1.6. Det har altså ramt det gen som koder for enzymet RDH, og det har øget dets aktivitet over for xylitol. Vi kalder denne mutant for X2.

Det kan måske godt tolkes som om RDH blev mere specifikt over for xylitol og dermed har øget den specificitet vi har ledt efter; men det er bare ikke tilfældet. Faktisk er RDH mindre specifikt nu. En forskergruppe har arbejdet med den muterede form af RDH. Den sammenlignede aktiviteten i X2-mutanten med den oprindelige bakterie og målte hvor aktiv de to var over for hhv. ribitol, xylitol og L-arabitol. Resultatet fremgår også af figur 1.7.

Den var • mindre aktiv over for ribitol • mere aktiv over for xylitol

Figur 1.6. Diagram der viser nogle af de kontrolforanstaltninger generne virker under. (1) og (2) markerer hvor i processen hhv. mutation 1 og 2 har slået til

• mere aktiv over for L-arabitol

Figur 1.7.

Enzymet i X1-mutationen er navngivet A på figuren. Enzymet i X2 er benævnt B. Y-aksen viser hastigheden den omdanner sukkeret med. Inden mutationen fandt sted (graf A), var aktiviteten høj for A og meget lav for de andre to stoffer – det viser at specificiteten var høj. Efter mutation i X2 (graf B) skete der en udfladning hvor hastigheden for ribitol faldt, og hvor præcisionen for de andre stoffer xylitol og L-arabitol faldt. Dvs. at specificiteten, og dermed informationen for generne, for RDH faldt – RDH har ikke så let ved at skelne imellem stofferne længere. Det kan være en fordel for bakterien på kort sigt, men det kan på den anden side betyde at den ikke længere kan skelne mellem nyttige og skadelige stoffer.

Det er vigtigt for et enzym at det er præcist. For er specificiteten lav i celler hvor der sker tusindvis af enzymatiske processer hvert sekund, så er præcisionen af hvilke stoffer der bliver nedbrudt for bred, og det kan føre til ødelæggelse af cellen.

På University of California har en gruppe forskere undersøgt en lignende mutation hvor enzymet normalt var meget specifikt og kunne klippe præcise stykker på fire aminosyrer. Ved to mutationer mistede enzymet specificiteten og kunne ikke længere klippe så præcist. De skriver:

En af de fundamentale funktioner hos et enzym er at være specifikt og begrænse det spand af substrater som det kan nedbryde69 .

En del af hemmeligheden bag specificiteten hos et enzym ligger i dets aktive område. Et enzym har to primære funktioner. Den første kan skelne og binde sig til det ønskede stof, mens den anden katalyserer en reaktion med stoffet70 . Det er bindingen som svækkes i denne her mutation, så enzymet får sværere ved at skelne imellem xylitol og L-arabitol. Også denne mutation har en pris, for det har vist sig at det muterede enzym er mindre stabilt end det oprindelige enzym71 .

Tredje trin – X3

X3 mutationen kom fra X2-bakterierne. Det var en punktmutation som skadede det gen der blokerer produktionen af det transportenzym som bærer næringsstofferne ind i cellen. På figur 1.8 kan du se hvor mutationen ramte (3). Resultatet bliver at der ikke længere er en hæmning af produktionen af transportenzymet som er specialiseret til at transportere D-arabitol. Dette transportsystem er så-dan indrettet at det også er i stand til at transportere xyli-tol ind i cellen. Normalt skal der være D-arabitol til stede for at transportenzymerne produceres, men det er der ikke, så derfor har produktionen af transportenzymerne stået stille lige indtil en muta-tion ødelagde det protein som stopper produktionen. Det be-tyder at der i X3 er en fuld og ureguleret produktion af transportenzymet. Derfor kunne langt mere xylitol kom-me ind i cellen og omsættes end tilfældet var for X1 og X2. Et repressor-gen bliver sat ud af spillet, så ligesom i X1 sker der et tab af specificitet og information.

“Al information og kompleksitet i alle organismer er opbygget ved små tilfældige variationer som generation efter generation har tilført en bid information til det fantastiske liv vi ser i dag. De rette positive mutationer som har hjulpet organismerne til at overleve og få mere afkom, er udvalgt af naturens udvælgelse – den naturlige selektion.”

Skal vi tro dagens evolutionister, så er det sådan vi bør og skal forstå naturen for at forstå forandringerne i livet. Hvor ligetil det end lyder, så har vi nu set at evolutionsteorien hverken teoretisk eller i de forsøg vi indtil nu har set, byder på en mulig løsning på hvordan al den kompleksitet er opstået. Ser vi overfladisk på evolutionen, så ser det ikke umuligt ud, men der opstår store forklaringsproblemer når vi går i detaljer. Alle tre mutationer har ført til tab af information og ikke opbygning.

Figur 1.8. Her vises hvordan en del af kontrollen med genet der koder for permeasen til D-arabitol, virker. (3) angiver hvor mutation nr. 3 slår til

69 Bone, R., J. L. Silen, and D. A. Agard, (1989), Structural plasticity broadens the specificity of an engineered protease,

Nature, vol. 339, pp. 191-195. 70 Darnell, J. E., H. F. Lodish, and D. Baltimore, (1986). Molecular Cell Biology. New York: Scientific American Books., p 65 71 Lerner, S. A., T. T. Wu, and E. C. C. Lin, (1964). Evolution of a catabolic pathway in bacteria, Science , vol. 146, pp. 1313-1315.