很遗憾预测蛋白质进化的测试又失败了

2023-05-18 23:00:13

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俄勒冈大学的科学家们创立了一个理论：他们可以一次突变蛋白的一个氨基酸，从而预测其进化。他们试图证明这一点。但最终失败了。

他们确自己已经找到了生物学系统中不可预测性的基本真理。他们在10月23日的《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中指出，基本的物理限制使不确定性成为常态。

“虽然我们结果失败了，但原因是早就知道的。”分子生物学研究所的科学家，化学和生物化学系教授 Michael J. Harms说，“这是具有积极意义的。我们简单的研究证实了许多人在实地观察过的东西——不可预测性。这看来是普遍的。”

这项研究由UO博士生Zachary R. Sailer用计算机模拟设计的。他和Harms用随机序列的12个氨基酸创造了一个简单的晶格蛋白，此方法是Harms实验室以前创建的。然后他们进行进化模拟以优化稳定性，即蛋白质的物理性质。

我们的目标是利用已知与起始蛋白相关的所有228个突变的影响来预测这些模拟轨迹：随着时间的推移，哪些突变会发生。在前两个突变之后，突变路线就变得难以预测。此后，预期的轨迹在越来越多的突变路线可能性中迷失了方向。

“所花时间越长，你所获得的信息质量却越低。” Sailer说， “随着突变的积累，你所测量到的突变的影响开始改变，以至于你无法预测突变的方向。”

在他们的论文中，Sailer和Harms表明，这与物理学，特别是热力学相关。每个突变都以一种小而非线性的方式改变蛋白质。这意味着每个突变的效果取决于以前发生的所有突变。

Harms说：“从根本上说，我们认为即使你对关于蛋白质的系统了解了很多，但由于这个系统的物理性质你也不能预测它是如何进化的。有一些物理规则限制了蛋白质的进化和可预测性。”

蛋白质进化是进化生物学中的一个基本问题，从长远来看，更多地了解生物系统的机制，有助于对优质药物的探索。

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Harms说，“实际上，我们的研究可能有助于我们了解如何防止细菌耐药性的演变。几乎所有细菌感染都对抗生素产生了耐药性，这在全世界引起了关注。”

“并非只是研究所有个体突变的影响。”Sailer说，“也许我们应该探究许多突变的随机组合。这种方法可能有助于我们预测耐药性的演变。”

Harms实验室正在进行此项研究，以检验这种可能性。Harms说：“我们正在建立计算工具，让我们分析抗生素耐药性数据集，我们确实得到一些组合方法带来的有用提示。这比研究个体突变要复杂得多，但我们的工作表明，只是研究个体突变不太可能有效。”

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