Een piepkleine motor, zelf geëvolueerd

Aanhangers van intelligent design denken dat moleculaire machines te complex zijn om in de evolutie te ontstaan. Dat gebeurde wel – en doordat eiwitten functies verloren.

Ingewikkelde moleculaire motoren, massaal aanwezig in levende cellen en bestaand uit meer dan tien verschillende samenwerkende eiwitten, evolueerden in de loop van honderden miljoenen jaren – niet doordat veranderingen in ieder eiwit méér mogelijkheden aan het eiwit gaven, maar juist doordat de samenstellende eiwitten mogelijkheden verloren.

„Het is tegenintuïtief maar simpel”, zegt geneticus en hoogleraar evolutie en ecologie Joe Thornton in een persbericht van de University of Chicago. „Het is net als in de maatschappij: de complexiteit neemt toe als individuen en instituten vergeten hoe ze generalist moeten zijn. Iedereen wordt specialist met toenemend beperkte capaciteiten.”

Thornton publiceerde zondag online een artikel in Nature waarin hij de genen van één type moleculaire motor uit 139 verschillende dieren en eencelligen vergelijkt. Door eiwitten te reconstrueren die waarschijnlijk 800 miljoen jaar geleden bestonden, maar inmiddels verloren zijn gegaan, laten Thornton en zijn mede-onderzoekers zien dat die eiwitten een bredere werking hadden dan de moderne varianten. Daardoor is hun evolutie makkelijker te begrijpen. Mutaties waardoor eiwitten functies verliezen, komen namelijk vaker voor dan mutaties waardoor eiwitten nieuwe eigenschappen krijgen, schrijven ze in hun slotbeschouwing, en daardoor is het ontstaan van die complexe en gespecialiseerde moleculaire motoren waarschijnlijker.

Moleculaire motoren zijn de troetelstructuren van creationisten. Deze aanhangers van intelligent design zeggen dat de natuur zo ingewikkeld in elkaar zit dat er wel een slimme ontwerper aan het werk moet zijn geweest. En moleculaire motoren zijn een schoolvoorbeeld van ingewikkelde natuur.

Neem de V-ATPase protonpomp, hiernaast afgebeeld. Die is alom aanwezig in cellen en transporteert protonen (H+) door een membraan. Membranen begrenzen cellen, en compartimenten erbinnen. Door dat protonentransport kunnen levende organismen de zuurgraad in compartimenten van hun cellen regelen.

De V-ATPase protonpomp bestaat uit (ongeveer) 14 verschillende eiwitten die naadloos in elkaar passen en alleen samen hun werk kunnen doen. Een paar eiwitten zijn bijvoorbeeld gespecialiseerd om de energierijke verbinding ATP te binden en er energie van over te nemen. ATP levert de energie om een draaiend deel (de rotor van de motor) een toer te laten maken. Andere typen van deze moleculaire motoren transporteren geen protonen maar ionen. De rotor zit vast in een stator die weer uit andere eiwitten bestaat die allemaal onmisbaar zijn in het geheel.

Alle organismen met celkernen (eukaryoten) hebben V-ATPasepompen. De eiwitten in de pompen van dieren, schimmels en amoeben verschillen allemaal een beetje. Terugrekenend kwamen de onderzoekers erachter hoe een paar van die eiwitten er 800 miljoen jaar geelden uit hebben gezien. Die eiwitten bestaan niet meer, maar de onderzoekers hebben de eiwitten die het draaiende deel van de moleculaire motor (de rotor) vormen opnieuw gemaakt.

De gereconstrueerde eiwitten pasten op veel meer manieren in de rotor dan nu. Ze konden verschillende buren hebben. De tegenwoordige rotoreiwitten passen maar op één manier in de rotor. De bredere werking van het oereiwit toonden de onderzoekers aan door het in een moderne gist te laten werken.