Пространство белковых последовательностей

[Юрий Гармай]

Эта тема имеет отношение не только к эволюции вообще, но и к абиогенезу. Желательно прояснить её насколько возможно.
Повод - видеоцитата из презентации Савватеева — кадр из ролика Никитина, "Ответ отрицателю эволюции" (весь ролик, видимо, достоин разбора; но и на самое нужное у нас не так-то много ресурсов, так что это стоит отложить в сторону).

Сам кадр во вложении, а написано там следующее:

• Измерили светимость более 50 тысяч мутантных вариантов зеленого флуоресцентного белка
  
• 3 случайных замены аминокислот — 80% сохраняют флуоресценцию
  
• 6 случайных замен — 20% всё ещё работают
  
• 9 замен ­— 5% функциональных белков
  
• Мутантов с 9 заменами возможно 4000 в 9 степени ≈ 2.5*10³² вариантов
  

Существует минимум 10³⁰ вариантов последовательностей зелёного флуоресцентного белка, а значит, вероятность на них наткнуться достаточно велика!

Алексей справедливо заметил, что из написанного вывод не следует, т.к. для нахождения вероятности надо поделить число пригодных вариантов на их общее число, а для рассматриваемого белка, состоящего из 238 (вероятно, см. ниже) аминокислотных остатков это 20²³⁸, что гораздо больше, чем 2.5*10³².
К этому можно добавить также, что непонятно что такое "4000 в 9 степени" (к слову это 2.6*10³²). Похоже на число аминокислот умноженное на длину цепочки. Но число мутантов ровно с 9 заменами, как мне кажется, считается несколько иначе: надо разложить (1+19)²³⁸ в бином Ньютона и посчитать нужный член. Разве не так? И так получится поменьше, чем у Никитина: 1.9*10²⁷. Но для нахождения объёма области в пространстве последовательностей надо суммировать число мутантов с одной заменой, с двумя и т.д. (и с нулём тоже, хотя это пренебрежимо мало ). Конечно, после забывания знаменателя это мелочи, но впечатление наплевательства к деталям (или непонимания) добавляет.

Есть более существенное с точки зрения биологии замечание: что такое все эти "сохраняют флуоресценцию", "всё ещё работают" и т.д.? Впрочем, это следует понять, как "отбор зацепится" (с точки зрения Никитина), но тут опять же пренебрежение деталями.

---

Здесь у меня возник вопрос, какую статью цитирует Никитин? Кто-нибудь может дать ссылку? Это интересно, потому что с чем у Никитина можно согласиться, так это с самой идеей, что считать объём функциональных последовательностей надо правильно. Сходу я смог найти одну похожую работу:

• [PDF] Sarkisyan, K. S., Bolotin, D. A., Meer, M. V., Usmanova, D. R., Mishin, A. S., Sharonov, G. V., ... & Kondrashov, F. A. (2016). Local fitness landscape of the green fluorescent protein. Nature, 533(7603), 397-401.
  

Работа интересная, но, по-моему, не совсем соответствующая тому, что сказал Никитин (и с их математикой мне тоже не всё понятно). Постараюсь сказать об этой работе пару слов, но пока нет времени.

[Алексей Ш.]

Никитин использует когнитивное искажение опять подменяет понятия и делает антинаучные выводы . Что на самом деле делали ученые судя по тому что написано в этой статье?
Они взяли УЖЕ готовый, идеально работающий белок. А затем они начали его ломать (вносить 3, 6, 9 мутаций), чтобы посмотреть, когда он перестанет светиться. То есть они просто шагали вокруг вершины уже найденной горы.
Аргумент Никитина звучит так: "Смотрите, я поставил слепого человека в пяти шагах от вершины Эвереста, и он случайно на неё наткнулся! Значит, слепой случай легко находит Эверест!".
Нет, математическая проблема абиогенеза это как найти пик Эвереста вслепую, если вы находитесь на дне Марианской впадины на планете размером с миллиард Солнечных систем. Статья доказывает лишь то, что готовый вариант обладает запасом прочности к поломкам , робастностью. Она ничего не говорит о том, как этот шедевр был найден в бесконечном пространстве неработающего мусора.

---

Кстати, Юрий очень интересно послушать ваше мнение по довольно новой работе в  которой описано  недавнее открытие 2026 года , опубликовано в Science,  от группы Филиппа Холлигера (MRC Laboratory of Molecular Biology, Кембридж). Оно касается маленького РНК-полимеразного рибозима QT45 (Quite Tiny 45) длиной всего 45 нуклеотидов. Это довольно сильный аргумент в пользу RNA-мира. Он показывает, что полимеразная активность возможна в очень простых молекулах, которые могли возникнуть пребиотически.  Вроде как проблема Эйгена не решена но вероятности сильно лучше хотя полная саморепликация в непрерывном цикле (с эволюцией) пока не продемонстрирована.  Барьер сильно снижен, и экспериментальная поддержка RNA-мира укрепилась. 

Вот ссылка: https://mrclmb.ac.uk/news-events/article...py-itself/

[Юрий Гармай]

Аргумент Никитина звучит так: "Смотрите, я поставил слепого человека в пяти шагах от вершины Эвереста, и он случайно на неё наткнулся! Значит, слепой случай легко находит Эверест!".

Аргумент у него в том, что пик довольно большой, если сравнивать с единичной природной последовательностью, а креациоционисты мол обычно подразумевают, что функциональная последовательность единична (но он при этом ещё и преувеличивает, как кажется). Контраргумент — пик маленький по сравнению с пространством поиска. Но что касается "поставить рядом" в реальности, тут не очень понятно, как можно точно об этом говорить. Вот, скажем, когда ищут рибозимы в рамках поиска РНК-мира, начинают со случайных последовательностей и находят ведь какие-то холмики, но в сравнение с природными рибозимами это что? Понятно, что гораздо ниже, но трудно оценить.
В этом смысле работа по GFP полезна, она показывает, что в случае природного белка "рядом" это несколько замен, меньше 10, скорее всего (тут надо оценить сколько замен можно преодолеть при ограничении на количество поколений/мутаций: для GFP, если мы попали в область, отделённую 10 мутациями от функции, нужно перебрать 8.1e+29 вариантов).

---

Кстати, Юрий очень интересно послушать ваше мнение по довольно новой работе в  которой описано  недавнее открытие 2026 года , опубликовано в Science,  от группы Филиппа Холлигера (MRC Laboratory of Molecular Biology, Кембридж). Оно касается маленького РНК-полимеразного рибозима QT45 (Quite Tiny 45) длиной всего 45 нуклеотидов. Это довольно сильный аргумент в пользу RNA-мира. Он показывает, что полимеразная активность возможна в очень простых молекулах, которые могли возникнуть пребиотически.  Вроде как проблема Эйгена не решена но вероятности сильно лучше хотя полная саморепликация в непрерывном цикле (с эволюцией) пока не продемонстрирована.  Барьер сильно снижен, и экспериментальная поддержка RNA-мира укрепилась. 

Вот ссылка: https://mrclmb.ac.uk/news-events/article...py-itself/

В подобных экспериментах за кадром производительный генератор случайных РНК, актированных нуклеотидов, (в этой работе — тринуклеотидов), высокая степень очистки, высокая концентрация реагентов, ручной переход между этапами, цепи там разделять и прочее. Чему соответствуют эти вещи в "пребиотическом окружении"? Мне кажется, принципиально тут всё то же, что и было.
Но моё личное мнение тут не очень ценно, впрочем. 
Сошлюсь на критику Джеймса Тура: https://www.youtube.com/watch?v=BzkKPzCydhA

[ESelensky]

Моих две копейки: сложная функция по необходимости редка в строковом пространстве (чем сложнее, тем реже). Это, конечно, не означает, что синонимов нет, но число синонимов быстро тонет с ростом размеров пространства при увеличении длины строки. Тур говорит, что на практике никакой репликации никто не продемонстрировал ещё, там всё быстро деградирует, выход смешной, какие-то доли процента.

[Юрий Гармай]

Моих две копейки: сложная функция по необходимости редка в строковом пространстве (чем сложнее, тем реже).

Неявное положение абиогенетиков, что жизнь — функция, не настолько сложная, как кажется.

[ESelensky]

Моих две копейки: сложная функция по необходимости редка в строковом пространстве (чем сложнее, тем реже).

Неявное положение абиогенетиков, что жизнь — функция, не настолько сложная, как кажется.

Функциональную сложность можно замерить. Что касается эволюции, то замеренную сложность можно затем сравнить с оценкой сложности, достижимой эволюционно.  И сделать выводы на тему того, могла ли эта функция появиться эволюционным путем. Правда, я не знаю, каким образом можно оценить возможности пребиотического синтеза. Наверное, можно. И потом тоже сделать выводы. 

Вот кстати вопрос интересный. Тур в лекциях говорит о парадоксе Левинталя (укладка белка).  Что якобы там какая-то сумасшедшая комбинаторика. Но насколько я знаю, этот парадокс в целом решен. Белку не нужно просматривать всё это гигантское пространство возможных укладок. Процесс направляется энергетически. Понятно, что там свои трудности, но в основном, решение есть. Вот что меня смутило : что, Тур об этом не знает? 

Что касается белковой функции, аргумент кода железный, я считаю. Потому что на уровне информационнонесущих структур нет практически никакой ни химической, ни физической избирательности. А вот уже в процессе укладки она появляется.

[Юрий Гармай]

А что он говорит о парадоксе Левинталя? Я не слышал, просто.
Корректно было бы сказать, что мало какая последовательность складывается в стабильный фолд (мне заимствование кажется более уместным, чем кальки "укладка" или "складка"); аллегорически говоря, не просто выбрать такую последовательность, которая не будет вечно блуждать в большой области сумасшедшего конфигурационного пространства или не свалится куда-нибудь в локальный минимум.

[ESelensky]

А что он говорит о парадоксе Левинталя? Я не слышал, просто.
Корректно было бы сказать, что мало какая последовательность складывается в стабильный фолд (мне заимствование кажется более уместным, чем кальки "укладка" или "складка"); аллегорически говоря, не просто выбрать такую последовательность, которая не будет вечно блуждать в большой области сумасшедшего конфигурационного пространства или не свалится куда-нибудь в локальный минимум.

В тех абиогенезных лекциях он просто упоминает его и говорит, что проблема интерактома - это "ещё круче", это "Левинталь 2.0". Я посмотрел немного про "Левинталь 1.0". В тех источниках, что я просмотрел, говорится, что этот парадокс "в основном разрешен". Решение парадокса в энергетическом ландшафте. Белок избирает что-то типа gradient descent. Я в курсе, что это не всегда возможно, есть всякие вспомогательные механизмы (белковые взаимодействия", чтобы помочь сформировать 3D структуры. Вот хотелось бы узнать насколько "в основном разрешен". И если после простого просмотра литературы по диагонали выясняется, что проблема в основном решена, то почему это не звучит в лекциях. Непонятно. Или история тут такая же: сильно раздувают, как с РНК-миром, типа в основном все ответы уже есть и не хватает только деталей? А между тем, именно в деталях выясняется, что всё это, мягко говоря, не работает.

[Юрий Гармай]

Ссылка в тему:

• [PDF] Guo, H. H., Choe, J., & Loeb, L. A. (2004). Protein tolerance to random amino acid change. Proceedings of the National Academy of Sciences, 101(25), 9205-9210.