"Jeg er fascineret af livet, og det er derfor, jeg vil bryde det."
Sådan beskriver Betül Kaçar, en adjunkt ved University of Arizona med ansættelser i Institut for Molekylær og Cellulær Biologi, Institut for Astronomi og Lunar and Planetary Laboratory, sin forskning. Det, der kan lyde hårdt, er en legitim videnskabelig tilgang inden for astrobiologi. Kendt som forfædres sekventering, er ideen at "genoplive" genetiske sekvenser fra livets morgen, sætte dem til at arbejde i de cellulære veje af moderne mikrober - tænk Jurassic Park, men med uddøde gener i stedet for dinosaurer, og studere, hvordan organismen klarer sig.
I et nyligt papir offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences rapporterer Kaçars forskerhold om en uventet opdagelse: Evolution, det ser ud til, er ikke særlig god til multitasking.
Kaçar bruger forfædres sekvensering til at finde ud af, hvad der får livet til at tikke, og hvordan organismer formes af evolutionært selektionstryk. Den opnåede indsigt kan til gengæld give fingerpeg om, hvad der skal til for, at organiske prækursormolekyler kan skabe liv - det være sig på Jorden eller fjerne verdener. I sit laboratorium har Kaçar specialiseret sig i at designe molekyler, der fungerer som små usynlige skruenøgler, der forårsager kaos med det sarte cellulære maskineri, der tillader organismer at spise, bevæge sig og formere sig - kort sagt at leve.
Kaçar har fokuseret sin opmærksomhed på oversættelsesmaskineriet, et labyrintisk molekylært urværk, der oversætter informationen kodet i bakteriens DNA til proteiner. Alle organismer - fra mikrober til alger til træer til mennesker - besidder dette stykke maskineri i deres celler.
"Vi tilnærmer os alt om fortiden baseret på, hvad vi har i dag," sagde Kaçar. "Alt liv har brug for et kodningssystem - noget, der tager information og gør det til molekyler, der kan udføre opgaver - og det translationelle maskineri gør netop det. Det skaber livets alfabet. Det er derfor, vi tænker på det som et fossil, der stort set er forblevet uændret, og det er noget, der ikke er ændret." i det mindste i sin kerne. Hvis vi nogensinde finder liv andre steder, vil du vædde på, at det første, vi vil se på, er dets informationsbehandlingssystemer, og oversættelsesmaskineriet er netop det."
Så kritisk er det translationelle maskineri til livet på Jorden, at selv i løbet af mere end 3,5 milliarder års evolution har dets dele undergået lidt væsentlig ændring. Forskere har omt alt det som "en evolutionær ulykke fastfrosset i tid."
"Jeg tror, jeg har en tendens til at rode med ting, jeg ikke skal," sagde Kaçar. "Låst i tide? Lad os låse den op. At bryde den ville føre cellen til ødelæggelse? Lad os bryde den."
Forskerne tog seks forskellige stammer af Escherichia coli-bakterier og genmanipulerede cellerne med muterede komponenter i deres translationelle maskineri. De målrettede det trin, der fodrer enheden med genetisk information ved at bytte shuttleproteinet med evolutionære fætre taget fra andre mikrober, inklusive en rekonstrueret forfader fra omkring 700 millioner år siden.
"Vi kommer ind i hjertet af hjertet af det, vi tror er et af livets tidligste maskiner," sagde Kaçar. "Vi bryder det med vilje lidt og meget for at se, hvordan cellerne håndterer dette problem. Når vi gør dette, tror vi, at vi skaber et akut problem for cellen, og det vil løse det."
Dernæst efterlignede holdet evolutionen ved at lade de manipulerede bakteriestammer konkurrere med hinanden - som en mikrobiel version af "The Hunger Games". Tusind generationer senere klarede nogle stammer sig bedre end andre, som forventet. Men da Kaçars team analyserede præcis, hvordan bakterierne reagerede på forstyrrelser i deres translationelle komponenter, opdagede de noget uventet: Til at begynde med forbedrede naturlig udvælgelse det kompromitterede translationelle maskineri, men dets fokus flyttede væk til andre cellulære moduler, før maskinens ydeevne var fuldt genoprettet.
For at finde ud af hvorfor, rekrutterede Kaçar Sandeep Venkataram, en befolkningsgenetikekspert ved University of California, San Diego.
Venkataram sammenligner processen med et spil med smæk-en-muldvarp, hvor hver muldvarp repræsenterer et cellulært modul. Når et modul oplever en mutation, dukker den op. Hammeren, der slår den ned igen, er handlingen af naturlig udvælgelse. Mutationer er tilfældigt spredt over alle moduler, så alle muldvarpe dukker tilfældigt op.
"Vi forventede, at den naturlige selektions hammer også falder tilfældigt, men det er ikke det, vi fandt," sagde han. "Snarere handler det ikke tilfældigt, men har en stærk bias, der favoriserer de mutationer, der giver den største fitnessfordel, mens den smadrer andre mindre gavnlige mutationer, selvom de også giver en fordel for organismen."
Med andre ord er evolution ikke en multitasker, når det kommer til at løse problemer.
"Det ser ud til, at evolutionen er nærsynet," sagde Venkataram. "Den fokuserer på det mest umiddelbare problem, sætter et plaster på, og så går den videre til det næste problem uden at afslutte det problem, det arbejdede på før, grundigt."
"Det viser sig, at cellerne løser deres problemer, men ikke på den måde, vi kunne løse dem," tilføjede Kaçar. "På en måde er det lidt ligesom at organisere en varevogn, når den kører ned ad en ujævn vej. Du kan kun stable og organisere så mange kasser ad gangen, før de uundgåeligt bliver rodet rundt. Du får aldrig rigtig chancen for at lave nogen store, velordnet arrangement."
Hvorfor naturlig udvælgelse virker på denne måde, mangler at blive undersøgt, men hvad forskningen viste er, at processen samlet set resulterer i, hvad forfatterne kalder "evolutionær standsning" - mens evolutionen har travlt med at løse et problem, gør den det på bekostning af alle andre problemer, der skal løses. De konkluderer, at i det mindste i hurtigt udviklende populationer, såsom bakterier, vil tilpasning i nogle moduler gå i stå på trods af tilgængeligheden af gavnlige mutationer. Dette resulterer i en situation, hvor organismer aldrig kan nå en fuldt optimeret tilstand.
"Systemet skal være i stand til at være mindre end optim alt, så evolutionen har noget at handle på i lyset af forstyrrelser - med andre ord, der skal være plads til forbedring," sagde Kaçar.
Kaçar mener, at dette træk ved evolution kan være en signatur af ethvert selvorganiserende system, og hun har mistanke om, at dette princip har modstykker på alle niveauer af biologisk hierarki, der går tilbage til livets begyndelse, muligvis endda til præbiotiske tider, hvor livet var endnu ikke blevet til noget.
Med fortsat finansiering fra John Templeton Foundation og NASA arbejder forskergruppen nu på at bruge forfædres sekvensering til at gå endnu længere tilbage i tiden, sagde Kaçar.
"Vi ønsker at fjerne tingene endnu mere og skabe systemer, der starter som det, vi ville betragte før livet, og derefter går over til det, vi betragter som livet."
