Artikkelin kirjoittaja: Matti Leisola, bioprosessitekniikan emeritusprofessori

Millenium-palkinto myönnettiin vuonna 2016 ns. suunnatun (ohjatun) evoluution menetelmän kehittäjälle professori Frances Arnoldille (kotisivu: http://www.che.caltech.edu/groups/fha/index.html). Hänen kehittämänsä tekniikat ovat mielenkiintoisia, nykyisin laajasti käytössä ja niillä on onnistuneesti muokattu tarkoin valittuja proteiineja haluttuun suuntaan. Joissakin tapauksissa on saavutettu hämmästyttäviäkin tuloksia (yhteenvetoartikkeli: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2997618/). Arnold itse ja erityisesti hänen tutkimuksiansa koskevat kansantajuiset kirjoitukset väittävät menetelmän matkivan biologista evoluutiota. Tämä johtuu siitä, että suunnatun evoluution tekniikassa geeniin tuotetaan valtava määrä sattumanvaraisia mutaatioita, joiden joukosta valitaan uusia toivottuja muunnelmia. Matkiiko palkittu tekniikka todellisuudessa biologista evoluutiota?

Mistä menetelmässä on kyse?

Alla oleva kuva esittää yleisellä tasolla tekniikan pääpiirteet. Ensimmäisessä vaiheessa valitaan luonnosta (esimerkiksi bakteerista) proteiini (entsyymi), jolla on toivottu ominaisuus (yleensä katalyyttinen aktiivisuus). Seuraavaksi kyseistä proteiinia koodaava geeni eristetään ja siihen tehdään koeputkessa geenitekniikan menetelmillä suuri määrä mutaatioita – yleensä useita tuhansia. Suurin osa muutoksista on vahingollisia. Proteiinin rakenne ei tavallisesti kestä usean aminohapon samanaikaista muutosta. Siksi tarvitaan paljon mutaatioita, joista pääosa sisältää vain yhden aminohapon muutoksia. Mutatoituneet geenit siirretään bakteeriin, joka tuottaa uuden, hieman alkuperäisestä poikkeavan proteiinimuunnoksen. Parhailla mutanteilla toistetaan sama prosessi useita kertoja (5-10). Arnold itse toteaa julkaisuissaan, että prosessin jokaisen välivaiheen täytyy olla toimiva. Tämä tarkoittaa sitä, että proteiinin perusrakenne ei saa särkyä. Hän on myös osoittanut, että mitä stabiilimpi proteiinin rakenne on sitä paremmin se kestää muuntelua.

Miten menetelmä eroaa luonnossa tapahtuvista ilmiöistä?

Suunnatun evoluution menetelmä poikkeaa ratkaisevasti luonnossa tapahtuvista ilmiöistä. Biokemisti Kozulicin kanssa tekemäni arvio näistä tekniikoista löytyy verkosta: http://vixra.org/abs/1504.0130. Evoluutio tarkoittaa määritelmänsä mukaisesti sattumanvaraista prosessia, jolla ei ole päämäärää. Suunnittelu merkitsee päämäärähakuista toimintaa. Suunnattu evoluutio on sanahirviö, joka yhdistää kaksi toisilleen vastakkaista termiä – sattumanvaraisen ja suunnitellun prosessin. On helppo nähdä miten prosessiin syötetään jokaisessa vaiheessa valtava määrä informaatiota:

1. Lähtökohtana on toimiva proteiini ja sitä koodaava geeni. Proteiini toimii solussa, siinä on aktiivinen keskus ja se on osa proteiini-proteiini interaktiivista verkostoa. Sattumanvarainen proteiini joko saostuu solussa tai on sille haitallinen. Jopa toimivaan proteiiniin (trioosifosfaatti-isomeraasi) tehdyistä aktiivisista mutaatioista vain 1 kymmenestä miljardista muunnelmasta toimi solussa.
2. Luonnollisiin mutaationopeuksiin nähden tekniikassa käytetään 10⁴ – 10⁶ kertaisia mutaationopeuksia.
3. Luonnossa valinta on sokeaa eikä suuntaudu mihinkään kohteeseen. Arnoldin tekniikassa valinta tapahtuu askel askeleelta kohti tiettyä päämäärää.
4. Luonnossa suurin osa (99 %) jopa suuren valintaedun (0,01) omaavista mutaatioista ei kiinnity populaatioon vaan katoaa. Suunnatun evoluution tekniikassa jokainen mutaatio valitaan jatkoon.
5. Tekniikan tuloksena syntyy muunnelma alkuperäisestä proteiinista, joka saattaa kestää paremmin lämpöä, liuottimia, happamuutta tai proteiinissa olleet heikot sivuaktiivisuudet ovat vahvistuneet. Luonnossa mutaatiot johtavat pitkällä aikavälillä rappeutumiseen ja ominaisuuksien menettämiseen. Luonnossa mutaatiot johtavat hitaasti mutta varmasti lajien rapeutumiseen kertyvien haitallisten mutaatioiden vuoksi (J. Sanford; Eliömaailma rappeutuu).

Miten Michael Behen, Douglas Axen ja Ann Gaugerin havainnot liittyvät asiaan?

Michael Behe on kirjassaan Edge of Evolution osoittanut, että evolutiivisilla muutoksilla on tiukat rajat. Sattumaprosessi kykenee parhaimmillaankin vain 2-3 samanaikaiseen muutokseen proteiinin rakenteessa. Arnoldin ryhmän tulokset vahvistavat tämän rajan. Jokaisessa suunnatun evoluution vaiheessa on mahdollista tehdä vain 1-2 mutaatiota proteiinin rakenteeseen ja esimerkiksi kymmenen vaiheen prosessin jokaisen välivaiheen on oltava toimiva. Axe ja Gauger ovat tehneet geeneihin pieniä virheitä ja osoittaneet, että evoluutioprosessi ei edes kykene korjaamaan näitä virheitä vaikka toimiva proteiini olisi vain muutaman mutaatioaskeleen päässä. Evoluutioprosessi ei heidän kokeissaan kyennyt muuttamaan proteiinin rakennetta toiseksi hyvin samankaltaiseksi rakenteeksi. Tarkemmin Bio-Complexity-verkkojulkaisun sivuilla: http://bio-complexity.org/ojs/index.php/main.

Mitä bakteereille tehdyt evoluutiokokeet osoittavat?

Yli 60 000 sukupolvea kestänyt professori Lenskin johdolla suoritettu evoluutiokoe on osoittanut, että bakteerit menettävät ominaisuuksia ajan kuluessa – eivät kehity (http://www.evolutionnews.org/2016/05/richard_lenski102839.html ). Samaan tulokseen johtivat Barry Hallin bakteerikokeet: vain 1-2 mutaation päässä oleva virhe oli korjattavissa mutaatioilla. Näistä kokeista on tarkempi analyysi kirjassani Evoluutiouskon ihmemaassa.

Johtopäätös

Valitettavasti suunnatun evoluution menetelmää verrataan julkisuudessa virheellisesti luonnossa tapahtuviin ilmiöihin ja evoluutioon, joka on sattumanvarainen päämäärätön prosessi. Yksinkertaiset matemaattiset laskelmat, tietomme luonnollisista mutaationopeuksista, mutaatioiden haitallisista vaikutuksista ja niiden leviämisestä populaatioihin osoittavat, että menetelmä ei matki luonnossa tapahtuvia ilmiöitä. Itse kymmeniä vuosia entsyymien kanssa työskennelleenä ja niitä muokanneena tiedän että suunnatun evoluution menetelmässä käytetään valtavan suuria mutaationopeuksia, huolellisesti valittuja koeolosuhteita, modernin geenitekniikan työkaluja ja valintaa kohti toivottua päämäärää. Lähtökohtana on tunnettu proteiini ja sen geeni ja lopputuloksena on muunnelma alkuperäisestä proteiinista – ei suinkaan oleellisesti uusi rakenne. Suunnattu evoluutio on termi, jota käytetään tietynlaisesta älykkäästi ohjatusta proteiinien muokkausmenetelmästä.