فرگشت آنزیم‌ها

تاکنون بیوشیمی‌دانان بیش از۴۰۰۰ آنزیم متفاوت را در گونه‌های مختلف کشف و نام گزاری کرده‌اند، و این لیست احتمالا به اصطلاح نوک توده یخ شناور را نشان می‌دهد. این وفور آنزیمی چگونه ایجاد شده است؟

آنزیمبه خاطر آورید که اکثر آنزیم‌ها پروتئینی‌اند، و پروتئین‌ها توسط ژن‌ها کد می‌شوند. تغییر دایمی در یک ژن جهش نامیده می‌شود، می‌تواند یک یا تعداد بیشتری آمینواسید را در یک پروتئین تغییر دهد. در این صورت اگر آمینواسید‌ها مربوط به جایگاه فعال (قسمتی از آنزیم که پیش ماده به آن متصل می‌شود و واکنش در آنجا کاتالیز می‌شود) یا سایر نواحی مهم آنزیمی باشند، آنزیم تغییر یافته ممکن است عملکرد جدیدی را کسب کند یا ممکن است به پیش ماده دیگری متصل شود.

در شرایط محیطی که عملکرد جدید به نفع جاندار است، انتخاب طبیعی فرم جهش یافته ژن را ترجیح داده و باعث حفظ آن در جمعیت می‌شود. این طرح ساده شده، معمولا به عنوان روش اصلی پذیرفته شده است که از طریق آن آنزیم‌های فراوان و گوناگون در طول چند میلیارد سال گذشته از تاریخ حیات، به وجود آمده‌اند.

پژوهشگران با استفاده از یک روش آزمایشگاهی که فرگشت را در جمعیت‌های طبیعی شبیه سازی می‌کند، اطلاعاتی را برای اثبات این طرح جمع آوری کرده‌اند. یک گروه از دانشمندان بررسی کرده‌اند که آیا عملکرد آنزیم بتا-گالاکتوزیداز در جمعیت‌های باکتری E. coli، با گذر زمان تغییر می‌کند یا خیر.

بتا-گالاکتوزیداز، دی ساکارید لاکتوز را به قند‌های ساده گلوکز و گالکتوز می‌شکند. محققان با استفاده از روش‌های مولکولی، جهش‌های تصادفی را در ژن‌های E. coli ایجاد نمودند و سپس باکتری‌ها را بررسی کردند که آیا قادر به شکستن دی ساکاریدی که اندکی با لاکتوز متفاوت است هستند یا خیر (دی ساکاریدی که به جای گالاکتوز، دارای قند فوکوز است).

آن‌ها باکتری‌هایی جهش یافته‌ای را انتخاب کردند که می‌توانستند این عمل را خیلی خوب انجام دهند. و آنهارا در معرض دور بعدی جهش و انتخاب قرار دادند. پس از چند دور، آنزیم فرگشت یافته نسبت به آنزیم ابتدایی، صد‌ها برابر قوی‌تر به پیش ماده جدید متصل شد و ۱۰ تا ۲۰ برابر سریع‌تر آنرا تجزیه کرد.

پژوهشگران شش آمینواسیدی که در آنزیم تغییر کرده بودند را یافتند. دو تا از این آمینواسید‌های تغییریافته، در جایگاه فعال قرار داشتند، دوتا در نزدیکی جایگاه فعال بودند و دوتا در سطح پروتئین قرار داشتند.

این آزمایش و آزمایش‌های شبیه به آن، این عقیده را تقویت می‌کنند که تغییراتی اندک، می‌توانند عملکرد آنزیم را تغییر دهند.