Chobotnice patria medzi najzvláštnejšie tvory na Zemi – a to až na molekulárnej úrovni. V novej štúdii vedci zistili, že chobotnice z určitej evolučnej línie majú mutáciu, ktorá sa u iných organizmov nevyskytuje a vďaka ktorej ich bunky dokážu vytvárať bielkoviny s mimoriadnou presnosťou. Ich bielkoviny sú preto menej náchylné vytvárať toxické zhluky.
Zdá sa, že táto evolučná novinka sa objavila približne v čase, keď sa u chobotníc začali rýchlo vyvíjať rozsiahle nervové sústavy a nové, zložité formy správania vyžadujúce veľký mozog. Zatiaľ však neexistuje priamy dôkaz, že tieto zmeny spolu súvisia. Výsledky výskumu boli zverejnené na preprintovom serveri bioRxiv a vyjsť majú aj v časopise Current Biology.
Všetky živé organizmy – od ľudí až po baktérie – vytvárajú bielkoviny rovnakým základným postupom. Bunky podľa plánov zakódovaných v DNA prepisujú pokyny na tvorbu bielkovín do vlákien mediátorovej RNA (mRNA), ktoré následne putujú do ribozómov, bunkových tovární na bielkoviny. Ribozómy podľa kódu mRNA zostavujú bielkoviny z aminokyselín, pričom aj ony samotné sa skladajú z bielkovín a RNA. Sekvencie ribozómovej RNA (rRNA), ktoré vytvárajú priestorové štruktúry pomáhajúce pri tvorbe bielkovín, navyše obsahujú úseky preukázateľne zhodné u všetkých známych druhov. Sekvencie rRNA sú natoľko predvídateľné, že ich mnohí vedci používajú ako kontrolu správneho priebehu experimentov s RNA.
Presne to robili aj vedci z Harvardu, keď v rámci iného experimentu skúmali RNA druhu Octopus bimaculoides v agarózovom géli a medzi fragmentmi rRNA objavili nečakanú medzeru. Ribozómová RNA v takýchto géloch zvyčajne vytvára jeden veľký, dobre viditeľný zhluk, no vedci pozorovali oddelené pásy. „Mysleli sme si, že sme RNA nesprávne izolovali,“ hovorí Nicholas Bellono, molekulárny biológ z Harvardu. Postdoktorand v Bellonovom laboratóriu Rishav Mitra zistil, že tento jav spôsobuje zmena v géne kódujúcom rRNA. V jej dôsledku sa vlákno rozštiepi na dva fragmenty, ktoré však naďalej spolupracujú, takže ribozóm dokáže vytvárať bielkoviny.
K rozštiepeniu dochádza presne na kľúčovom mieste v jadre ribozómu, kde rRNA priraďuje správnu aminokyselinu k príslušnému genetickému pokynu. Aby vedci zistili, akú úlohu toto rozštiepenie zohráva, zaviedli mutáciu, ktorá ho spôsobuje, do baktérií Escherichia coli. Úprava nečakane zvýšila presnosť ribozómov E. coli na mimoriadnu úroveň. Pri začleňovaní aminokyselín do bielkovín robili približne o 50 % menej chýb než prirodzené ribozómy týchto baktérií. Vedci zistili, že ribozómy chobotníc s rozštiepenou rRNA vykonávali transláciu výrazne pomalšie. Podľa ich pozorovaní tento vysoko presný translačný systém znižuje pravdepodobnosť vzniku chybných bielkovín, ktoré by sa mohli zhlukovať a spôsobovať v organizme problémy.
Vedci tiež objavili, že rozštiepenie rRNA pomáha ribozómom chobotníc presne spracúvať sekvencie mRNA, ktoré boli pred transláciou upravené. Je známe, že hlavonožce upravujú svoju mRNA oveľa častejšie a vo väčšom rozsahu než iné organizmy. Tieto úpravy môžu vznikajúcej bielkovine dodať nové funkcie – napríklad schopnosť dobre fungovať aj v studenej vode –, zároveň však zvyšujú pravdepodobnosť jej nesprávneho poskladania. Ribozómy cicavcov majú pri spracúvaní upravenej mRNA sklon „zasekávať sa“, no špeciálne ribozómy chobotníc ju bez problémov premieňajú na bezchybné bielkoviny.
Výskumníci našli dôkazy o rozštiepení rRNA u 15 druhov chobotníc žijúcich v plytkých vodách, no ani u jedného z 12 skúmaných hlbokomorských druhov. To naznačuje, že táto zmena sa pravdepodobne prvýkrát objavila približne pred 100 miliónmi rokov, práve v čase, keď sa chobotnice rozdelili na dve evolučné línie s veľmi odlišným spôsobom života. Chobotnice, ktoré sa presunuli do plytších vôd – náročného prostredia s väčším počtom predátorov a silnejšou konkurenciou –, sa museli naučiť loviť, používať nástroje a unikať predátorom. Pri prispôsobovaní sa týmto novým výzvam sa ich mozog rýchlo zväčšoval. Schopnosť predchádzať tvorbe toxických bielkovinových zhlukov tak mohla ich nervovým bunkám pomáhať dlhšie prežívať a lepšie fungovať.
Podľa vedcov by sa schopnosť zvýšiť presnosť tvorby bielkovín mohla uplatniť aj v bioinžinierstve. Hoci sa úpravám RNA na terapeutické účely venuje čoraz viac firiem, možnosti pozmeniť ribozómy zatiaľ skúma len málo z nich. Nové výsledky naznačujú, že drobnými zmenami možno tento systém doladiť tak, aby pracoval ešte presnejšie.
Objav ukazuje, aké cenné je skúmať aj iné organizmy než tie, ktoré sa bežne používajú v laboratóriách, napríklad myši či muchy, dodáva Clifton Ragsdale, biológ z Chicagskej univerzity zaoberajúci sa hlavonožcami. „Keď narazíme na niečo nezvyčajné či zvláštne, privedie nás to k ďalším, potenciálne zaujímavým otázkam, ktoré sa týkajú nielen evolúcie, ale aj fungovania buniek,“ hovorí.
Vedci teraz plánujú podrobnejšie preskúmať, či rozštiepenie štruktúry rRNA spôsobuje enzým alebo iný mechanizmus. Chcú tiež zistiť, či by zavedenie tohto rozštiepenia do rôznych druhov mohlo zmeniť ich správanie alebo im inak poskytnúť evolučnú výhodu. Chobotnica je podľa Bellona skvelým príkladom živočícha, u ktorého sa vyvíjajú nové vlastnosti, ale iným spôsobom, než sme si tradične predstavovali.
