Osa 2: Kolibakteerin sähkömoottori – haaste evoluutiolle
Prof. Matti Leisola
Suolistossa elävää kolibakteeria (Escherichia coli) liikuttaa kuusi pientä sähkömoottoria, joita mahtuisi jonoon 30.000 kappaletta millimetrin matkalle. Kukin moottori koostuu viidestä toimivasta perusosasta. Siima vastaa laivan potkuria. Sen pyöriminen synnyttää bakteeria liikuttavan työntövoiman. Siima liittyy kulmakappaleen avulla pyörimisakseliin, jota laakeri pitää paikallaan solukalvossa ja bakteerin seinässä. Rotaatioakseli ja siima pyörivät vetoproteiinin avulla. Vaikka bakteerin moottoria on tutkittu molekyylitasolla intensiivisesti, biokemistit eivät vielä ole saaneet selville sen toiminnan kaikkia yksityiskohtia. Moottoria pyörittää solukalvon yli vaikuttava 0,2 voltin protonigradientti. Pyörimisnopeus on maksimissaan 54 000 kierrosta minuutissa. Moottoreiden voimalla bakteeri liikkuu jopa 65 kertaa itsensä mittaisen matkan sekunnissa. Tämä vastaa ihmisen uintinopeutta 400 km/h. Moottorin kytkin voi tarvittaessa muuttaa moottorin pyörimissuuntaa, jos bakteerin suunnistusjärjestelmä antaa tarvittavan signaalin.
Evoluutioteorian mukaan on joskus täytynyt olla olemassa bakteeri, jolla ei vielä ollut sähkömoottoria ja siihen liittyvää ohjausjärjestelmää. Millä todennäköisyydellä bakteerimoottori syntyisi evoluutioteorian olettaman mekanismin kautta? (Alla olevat laskelmat kirjasta Evoluutio – kriittinen analyysi, Scherer, Junker, Leisola (toim.), Datakirjat, 2000, ss.129-133. www.datakirjatkustannus.fi). Moottori tarvitsee ainakin jokaisen viidestä edellä mainitusta perusosasta. Jos yksikin näistä perusosista puuttuisi, ei syntynyt rakenne kykenisi toimimaan bakteerin moottorina, eikä keskeneräisen moottorin osia tuottava bakteeri selviäisi hengissä. Se ei siis olisi enää käytettävissä tulevassa evoluutioprosessissa. Molekyylibiologisesti ei ole perusteltua olettaa, että vain nämä viisi osaa kykenisivät edes epätäydellisesti hoitamaan tehtävän, johon nykyisin tarvitaan yli 40 proteiinia. Näitä proteiineja ja niihin liittyviä säätelyelementtejä koodaaviin geeneihin kuuluu yli 60 000 emäsparia eli geneettisen kielen koodimerkkiä. Moottorin osien määrä on seuraavassa laskelmassa aliarvioitu evoluutiohypoteesin eduksi.
Toimiva moottori olisi haitallinen, jos sitä ei kyettäisi ohjaamaan. Alusta lähtien on täytynyt olla olemassa ohjausjärjestelmä, jonka on täytynyt koostua vähintään yhdestä sensoriproteiinista ja yhdestä signaalin välitysproteiinista. Tämäkin on yksinkertaistus, koska ei ole olemassa mitään molekyylibiologista syytä olettaa, että nämä kaksi proteiinia yksinään voisivat hoitaa tehtävän, johon nykyisin tarvitaan ainakin kahdeksan eri proteiinia.
Teemme jälleen yksinkertaistuksen ja oletamme, että kaikki mutaatiot tapahtuivat yhtä suurella todennäköisyydellä kuin pistemutaatiot. Oletamme lisäksi evoluutiohypoteesin hyväksi, että mutaatiotiheys oli kymmenen kertaa suurempi maapallon varhaisaikoina kuin nykyisin eli 10–8. Jos geeni koostuu 1000 emäsparista, niin minkä tahansa mutaation todennäköisyys tässä geenissä on 1000 * 10-8 = 10–5.
Oletamme, että uuden toiminnan syntymiseen riittää kolme täysin mielivaltaisessa geenin kohdassa tapahtunutta mutaatiota. Oletus on ristiriidassa kaiken kokeellisen tiedon kanssa. Geenissä voi tapahtua kymmenittäin mutaatioita ilman, että sen toiminta häiriytyy. Uuden rakenteen synnyttämiseen tarvitaan paljon enemmän mutaatioita tarkasti määrätyissä paikoissa. Oletamme kuitenkin, että kolme mutaatiota riittää uuden toiminnan synnyttämiseen, koska ei tarkkaan tiedetä, kuinka monta mutaatiota todella tarvitaan ja mitkä näiden mutaatioiden yhdistelmät synnyttävät toivotun funktion. Siksi oletamme suoraviivaisesti, evoluutionäkemyksen eduksi, että kaikki mahdolliset yhdistelmät tuottavat toivotun tuloksen.
Tarvitsemme siis yhteensä ainakin 3 * 7 = 21 mutaatiota muuttaaksemme seitsemän proteiinia moottorin ja sen ohjausjärjestelmän osiksi. Näiden mutaatioiden on tapahduttava kahdentuneissa (duplikoituneissa) geeneissä, jotta normaali solun toiminta ei estyisi. Siksi tarvitsemme vielä lisäksi 7 geeniduplikaatiota. Toisistaan riippumattomat 21+7 muutosta tapahtuvat todennäköisyydellä (10-5)28 = 10–140. Oletamme, että meret ovat olleet täynnä bakteereita koko maapallon oletetun 4,6 miljardin vuoden historian ajan. Todennäköisyys sille, että toivotut 28 mutaatiota olisivat joskus esiintyneet jossain maapallon historian 1046 bakteerista, on 10–140 * 1046 = 10–94. Käytännössä näin epätodennäköistä tapahtumaa voidaan pitää mahdottomana.
Todellisuus on yksinkertaista laskelmaamme hieman monimutkaisempi. Evoluutioteoriaa suosivissa lähtö-olettamuksissa jätimme puutteellisten tietojen vuoksi huomioimatta esimerkiksi geneettisen ajautumisen, epätäydellisten moottorin osien periytymisen sekä periytyviin osiin kohdistuvat valintatapahtumat ja haitalliset mutaatiot. Näistä epävarmuustekijöistä huolimatta laskelma osoittaa, että toimivan bakteerimoottorin syntyminen evoluutiomekanismeilla sattuman ja valinnan kautta on hyvin epäuskottava tapahtuma. Makroevoluution mekanismia ei siis tunneta. Sattuma vaikuttaa aivan toiseen suuntaan eli tuhoavasti.
Yersinia pestis on läheistä sukua kolibakteerille. Se on ruttoa aiheuttava bakteeri. Sitä on aina pidetty liikuntakyvyttömänä. Geenitutkimus on osoittanut, että sillä on kaikki sähkömoottorin rakentamiseen tarvittavat geenit. Sen säätelygeenissä on tapahtunut yksi pistemutaatio. Tämä yksi virhe on tehnyt bakteerista liikuntakyvyttömän ja sen kaikista moottoriin liittyvistä geeneistä hyödyttömiä. Hyödyttömiksi tulleisiin geeneihin voi ilmestyä lisää sattumanvaraisia mutaatioita, koska valinta ei enää karsi virheitä pois. Yersinian moottorigeeneistä löytyykin kaksi muuta virhettä.
Evoluutio edellyttää uutta synnyttävää hitaasti etenevää prosessia. Kokemus osoittaa päinvastaisen prosessin olemassaolon – informaatiota menetetään sattumanvaraisissa mutaatioissa.
Molekyylitasolla toimivaa nanomoottoria on yritetty rakentaa tekniikan keinoin. Amerikkalaiselta tutkimusryhmältä (Kelly TR, De Silva H, Silva RA. Unidirectional rotary motion in a molecular system. Nature. 1999; 401:150-152) vei neljä vuotta rakentaa bakteerimoottoria paljon yksinkertaisempi 78 atomin moottori, joka kuitenkin toistaiseksi pysähtyy 120 asteen pyörähdyksen jälkeen. Hollantilaiset ja japanilaiset tutkijat (Koumura, Ziljlstra, van Delden, Harada, Feringa, Light-driven monodirectional molecular rotor, Nature. 1999; 401:152-155) ovat puolestaan kehittäneet 58 atomista koostuvan moottorin, joka pyörii taukoamatta valon fotonienergialla. Yksi kierros kestää kuitenkin useita minuutteja. Lisäksi moottori ei toimi huoneenlämmössä, vaan tarvitsee 60 asteen lämpötilan pyöriäkseen.
Kolibakteeria, jota pidetään usein primitiivisenä ja yksinkertaisena eliönä, voidaan täydellä syyllä kutsua nanoteknologin unelmaksi (www.aip.org/pt/jan00/berg.htm). Edellä kuvatun sähkömoottorin ja potkurin lisäksi sen perusvarustukseen kuuluu partikkelilaskin, nopeusmittareita ja vaihdelaatikkoja. Sen DNA:ssa on 4.639.221 koodikirjainta ja 4.288 geeniä, joista useimmat koodaavat proteiineja. Näistä vain noin 60 %:n toiminta tunnetaan.
Tämä bakteerimoottoria käsittelevä osa kirjoituksestani on sopiva päättää arvostetussa Cell-lehdessä olleeseen toteamukseen: ”Moottorin mekanismi säilyy arvoituksena…Enemmän kuin muut moottorit, flagella muistuttaa ihmisen suunnittelemaa konetta” (DeRosier D.J. , ”The Turn of the Screw: The Bacterial Flagellar Motor,” Cell, Vol. 93, 1998, pp.17-20). Ainoastaan usko darvinistiseen fundamentalismiin estää ihmistä tekemästä oikeaa johtopäätöstä.