Kolibakteerin sähkömoottori

Suolistossa elävää kolibakteeria liikuttaa kuusi pientä sähkömoottoria, joita mahtuisi jonoon 30000 kappaletta milli­metrin matkalle. Kukin moottori koostuu viidestä toimivasta perusosasta. Siima vastaa laivan potkuria, ja sen pyöriminen synnyttää bakteeria liikuttavan työntövoiman. Siima liittyy kulmakappaleen avulla rotaatioakseliin, jota laakeri pitää paikallaan solukalvossa ja bakteerin seinässä. Rotaatioakseli ja siima alkavat pyöriä vetoproteiinin avulla. Vaikka bakteerin moottoria on tutkittu atomitasolla intensiivisesti, biokemistit eivät ole vielä saaneet selville, miten se toimii (1). Varmaa on vain se, että moottoria pyörittää solukalvon yli vaikuttava 0,2 voltin protonigradientti. Pyörimisnopeus on maksimissaan 54000 kierrosta minuutissa (2), ilman voiteluameita. Moottoreiden voimalla bakteeri liikkuu 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.

Millä todennäköisyydellä bakteerimoottori syntyisi evoluutioteorian olettaman mekanismin kautta(3)? Moottori tarvitsee ainakin jokaisen viidestä edellä mainitusta perusosasta. Jos yksikin näistä perusosista puuttuisi, ei syntynyt rakenne kykenisi toimimaan bakteerin moottorina eikä bakteeri selviäisi valintaprosessissa. 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. Osien määrä on aliarvioitu evoluutiohypoteesin eduksi.

Toimiva moottori olisi haitallinen, jos sitä ei kyettäisi ohjaamaan. Alusta lähtien olisi siksi täytynyt olla olemassa ohjaussysteemi, joka olisi koostunut vähintään yhdestä sensoriproteiinista ja yhdestä signaalinvälitysproteiinista, vaikka ei olekaan olemassa mitään molekyylibiologista syytä olettaa, että nämä kaksi proteiinia yksinään voisivat hoitaa tehtävän, johon nykyisin tarvitaan noin kahdeksan proteiinia. Teemme jälleen yksinkertaistuksen ja oletamme, että kaikki mutaatiot tapahtuivat yhtä suurella todennäköisyydellä kuin pistemutaatiot. Oletamme 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 x  10-8  = 10-5. Oletamme lisäksi, että uusi funktio syntyy yhden geenin kolmessa täysin mielivaltaisessa kohdassa tapahtuvan mutaation tuloksena. Oletus on ristiriidassa kaiken kokeellisen tiedon kanssa, joka selvästi osoittaa, että tällaiseen muutokseen tarvitaan paljon enemmän mutaatioita määrätyissä paikoissa. Nämä oletukset kuitenkin valitaan, 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.

Seitsemän vastaavan esisopeutuneen proteiinin muuttamiseksi tarvitsemme siis yhteensä 3 x 7 = 21 mutaatiota. Näiden mutaatioiden on tapahduttava duplikoituneissa geeneissä, ettei normaali solun toiminta estyisi. Siksi tarvitaan vielä lisäksi 7 geeniduplikaatiota. Toisistaan riippumattomat 21+7 muutosta tapahtuvat todennäköisyydellä (10-5)28 =10-140. Oletetaan merten olleen täynnä bakteereja 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 x 1046 = 10-94

Todellisuus on yksinkertaista laskelmaamme monimutkaisempi. Evoluutioteoriaa suosivissa lähtöolettamuksissa jätimme puutteellisten tietojen vuoksi huomioimatta esimerkiksi geneettisen ajautumisen, epätäydellisten moottorin osien periytymisen sekä periytyviin osiin kohdistuvat valintatapahtumat ja haitalliset mutaatiot.

Amerikkalaiselta tutkimusryhmältä (1) vei neljä vuotta rakentaa bakteerimoottoria yksinkertaisempi 78 atomin moottori. Moottori pysähtyy kuitenkin toistaiseksi 120 asteen pyörähdyksen jälkeen. Hollantilaiset ja japanilaiset tutkijat (4) 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.

Usein primitiiviseksi ja yksinkertaiseksi eliöksi kutsutun kolibakteerin toiminnoista, jakautumisesta,  sopeutumisesta muuttuviin olosuhteisiin jne. ei tiedetä vielä lähellekään kaikkea. Kolibakteeria koskevien kokeellisten tiedejulkaisujen määrä on noussut viime vuosina 78:sta/kk (1996) 94:een/kk (2000) (5).

1 Kelly TR, De Silva H, Silva RA. Unidirectional rotary motion in a molecular system. Nature. 1999; 401:150-152.
2 www.biology.utah.edu/People/regfaculty/~blair/blair.html
3 Alla olevat laskelmat kirjasta Evoluutio - kriittinen analyysi,
Scherer, Junker, Leisola (toim.), Datakirjat, 2000, ss.129-133
4 Koumura, Ziljlstra, van Delden, Harada, Feringa, Light-driven monodirectional molecular rotor, Nature. 1999; 401:152-155.
5 Riley M, Serres MH, Interim report on genomics of Escherichia coli, Annu. Rev. Microbiol. 2000, Vol. 54: 341-411.

Paluu pääsivulle