بازسازی تاریخچۀ ژنتیکی ۳ میلیارد سالۀ آدنیلات کیناز، بعد جدیدی از مسیر تکاملی را آشکار کرده است.
می‌دانیم که آنزیم‌های سازگار با دماهای بالا معمولاً نمی‌توانند در دماهای پایین‌تر به فعالیت خود ادامه دهند. با این حال آنزیم‌های گرمادوست اولیه – که چندین میلیارد سال قبل فعالیت داشتند – جهت حفظ تداوم حیات مجبور شدند با سیر نزولی دمای کرۀ زمین سازگاری حاصل کنند؛ این سازگاری از طریق مبادلۀ بخش‌هایی از ساختمان این آنزیم‌ها ایجاد شد. این مطلب دو روز پیش – ۲۲ام دسامبر – در ژورنال Science (با Impact Factor: ۳۴/۶۶۱) منتشر شد.
اخیراً گروهی از محققین ساختمان احتمالی این آنزیم‌ها را – در میلیارد‌ها سال قبل – به صورت کامپیوتری بازسازی کرده‌اند. نتایج مطالعۀ اخیر، این عقیده را که “آنزیم‌ها در طی زمان جهت فعالیت بیشتر لاجرم باید پایداری خود را از دست بدهند” به چالش کشیده است.
آنزیم‌ها (Enzymes) کاتالیزگر‌های طبیعی هستند که به واکنش‌های درون [و برون] سلولی شتاب می‌دهند. البته هر چیزی محدودیت خاص خود را دارد و بسیاری از این آنزیم‌ها در بازه‌های دمایی خاصی فعالیت می‌کنند. دماهای بسیار پایین منجر به کاهش کارایی آنزیم‌ها شده (در نتیجۀ کاهش ارتعاشات مولکولی و تعداد برخوردهای مناسب) و در سوی دیگر دماهای بسیار بالا باعث فروپاشی ساختمان سه‌بعدی آنزیم شده و در نتیجه کارکرد آن را عملاً از بین می‌برد.
عقیده بر این است که حیات در سیارۀ زمین در ابتدا در دماهای بالا – دورۀ غلبۀ چشمه‌های آب‌گرم و چاه‌های هیدروترمال (Hydrothermal Vents) – جریان داشته است و از همین رو آنزیم‌های اولیه در این دوران نیز در دماهای بالا فعالیت می‌کردند. ولی همان‌طور که می‌دانیم طی سالیان بعد، دمای کرۀ زمین رفته‌رفته روندی نزولی به خود گرفت و هوا سردتر شد؛ از همین رو این آنزیم‌ها چاره‌ای نداشتند جز آن که بازۀ دمای فعالیت خود را تغییر دهند، وگرنه حیات از بین می‌رفت.
دانشمندان تاریخچۀ تکاملی آنزیمی به نام آدنیلات کیناز (Adenylate Kinase، آنزیمی که وظیفۀ تبدیل نوکلئوتید‌های آدنین به یکدیگر را برعهده دارد) را بررسی کرده‌اند. این آنزیم از جمله پروتئین‌های بسیار مهم است و نسخه‌ای از آن در تمامی سلول‌های زنده وجود دارد و در نتیجه برای حیات ضروری است. گروه تحقیقاتی توانسته است از طریق تکنیکی موسوم به “بازسازی توالی اجدادی” (Ancestral Sequence Reconstruction) ساختمان احتمالی ژن کدکنندۀ این پروتئین در ۳ میلیارد سال قبل را بازسازی نماید. جهت انجام این کار ژنوم باکتری E. coli به گونه‌ای ویرایش شد که باکتری بتواند نسخه‌های شبه‌باستانی از ADK (آدنیلات کیناز) را تولید کند. در ادامۀ نحوۀ تغییر کارکرد این آنزیم‌های نبش قبر شده (!) در گستره‌ای از دماهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج جالبی بدست آمد.
این آنزیم‌های اولیه کارکرد فاجعه‌ای (!) در دماهای پایین داشتند؛ اما به لطف انتخاب طبیعی، آنزیم‌های کارآمدتر انتخاب شدند و رفته‌رفته به سطح فعالیت مطلوبی در دماهای پایین‌تر دست یافتند. در حقیقت در طی زمان در اثر جهش‌های ژنتیکی (جهش اجتناب‌ناپذیر است) منجر به تعویض تعدادی از آمینواسید‌های موجود در ساختمان پروتئینی شد و این تغییرات در ادامه سطح انرژی مورد نیاز آنزیم را کاهش دادند. این پدیده به آنزیم‌ها اجازه داد که واکنش‌های شیمیایی را با حفظ سرعت در دماهای پایین‌تر کاتالیز کرده و در نتیجه میکروارگانیسم‌ها زنده بمانند.
