Используя статистические и биохимические методы для реконструкции и экспериментальной характеристики древних белков, ученые смогли восстановить мутации, которые привели к появлению 400 миллионов лет гемоглобина. В большинстве биологических процессов участвуют комплексы из нескольких белков, совместно выполняющих ту или иную функцию. При этом часто на основе таких комплексов возникают сложные белковые соединения, такие как гемоглобин, отвечающий в организме за перенос кислорода между органами. Каждая молекула гемоглобина представляет собой сложный белковый комплекс, состоящий из четырех субъединиц. При этом сами белки этих субъединиц перекрестно между собой никогда не соединяются. Как им удалось собраться вчетвером, для биологов долго оставалось загадкой. Американские биологи Техасского университета A&M, Университета Небраски-Линкольна и Медицинского центра Чикагского университета вместе с их британскими коллегами из Оксфордского университета разработали ретроспективный метод восстановления белковых последовательностей, с помощью которого они определили «недостающее звено», благодаря которому гемоглобин развился из простых предшественников.

К своему удивлению ученые обнаружили, что достаточно было всего двух мутаций белков, произошедших примерно 400 миллионов лет назад, чтобы появился четырехкомпонентный комплекс гемоглобина с его функцией связывания кислорода.

Гемоглобин стал первым соединением, на примере которого Торнтон и коллеги апробировали новый метод восстановления эволюции сложные молекулы на протяжении биологической истории.

«Структура и функция гемоглобина изучены больше, чем у любой другой молекулы, — объясняет выбор объекта исследования первый автор статьи, аспирант кафедры экологии и эволюции Арвинд Пиллаи (Arvind Pillai). — Но ничего не было известно о том, как он возник во время эволюции. Это отличная модель, потому что компоненты гемоглобина являются частью большого семейства белков, в котором самые близкие родственники не образуют комплексы, а функционируют в изоляции».

Анализ атомных структур древних белков показал, как эволюция использовала преимущества четырехкомпонентного комплекса перед двухкомпонентным для закрепления случайных мутаций на поверхности белка, которые позволили ему плотно связываться с другим белком, не изменяя его. Возможно, самым удивительным результатом этих мутаций, отмечают ученые, было то, что они вызвали критические изменения в функционале комплекса, позволив ему связывать молекулы кислорода.