Nieuwe eiwitten

Nieuwe eiwitten – De stuwende kracht achter de evolutie?
Een van de fundamentele hypothesen van de moderne Neo-Darwinistische theorie is dat de ruwe basismaterialen, de “grondstoffen”, van de evolutie nieuwe eiwitten zijn, die worden voortgebracht door min of meer willekeurige mutaties, veroorzaakt door fouten in DNA-kopieën, recombinatie of straling. Genen die een voordelig fenotype opleveren worden vervolgens geselecteerd en dus worden zo nieuwe genen, die coderen voor nieuwe eiwitten, incrementeel toegevoegd. Het is belangrijk om te begrijpen dat een DNA sequentie niet met voorkennis veranderingen kan doorvoeren die zouden kunnen leiden tot zinvolle veranderingen, noodzakelijk voor enige overlevingswaarde van het gen. Natuurlijke selectie kan alleen maar achteraf bepalen of er enig nut of enige verbetering heeft plaatsgevonden. Met andere woorden: natuurlijke selectie kan weliswaar bepalen wat het best aangepast is “survival of the fittest”), maar niet wat het best aangepast zal zijn (“arrival of the fittest”).

Laten we eens aannemen dat de mechanismes bestaan om door middel van mutaties op een effectieve manier macromolecules te vormen uit bestaand genetisch materiaal. Wat is dan de waarschijnlijkheid dat er een bruikbare macromolecule wordt verkregen? Kunnen we een kwantitatieve schatting geven van deze waarschijnlijkheid? Mutaties vinden natuurlijk plaats op nucleotiden in nucleïnezuren, die vervolgens gekopieerd en vertaald worden tot eiwitten. Maar laten we eens kijken naar de willekeurige rangschikking van aminozuren om eiwitten te vormen. Dit is niet alleen gemakkelijker te formuleren, maar geeft zelfs een overschatting van de waarschijnlijkheid dat een bruikbare polypeptide wordt verkregen door alleen toeval.

Nieuwe eiwitten – De laatste doodsklap voor de evolutieleer
Wat is dan de waarschijnlijkheid dat een nieuw eiwit, met een bescheiden lengte, wordt voortgebracht door willekeurige mutaties? Kijk eens naar de Cytochroom c molecule. Cytochroom c is een kort eiwit dat uit ongeveer 104 aminozuren bestaat. Het komt voor in de meeste cellen en wordt in verband gebracht met de productie van de ATP energie molecule. Omdat dit eiwit wordt aangetroffen in zowel prokaryoten en eukaryoten, vermoedt men dat dit eiwit al heel vroeg evolueerde, vóór het bestaan van de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (“LUCA”).

Maar hoe waarschijnlijk is het dat een eiwit van deze afmeting zou zijn voortgebracht door een willekeurige rangschikking van aminozuren, zoals noodzakelijk zou zijn voordat natuurlijke selectie ermee aan het werk zou kunnen gaan? Dit kan berekend worden door het aantal mogelijkheden te schatten die er bestaan voor een eiwit van deze afmeting en deze vervolgens te vergelijken met het aantal sequenties dat er in de loop van de evolutie zouden kunnen zijn “geprobeerd”.

Zoals eerder gezegd heeft het Cytochroom c eiwit ongeveer 104 aminozuren. Er bestaan twintig verschillende soorten aminozuren. Dit betekent dat het aantal mogelijke eiwitmoleculen 20104, of 2 x 10135 (een 2 gevolgd door 135 nullen!), bedraagt. Om dit enig perspectief te geven: men schat dat het aantal atomen in het volledige universum ongeveer 1080 bedraagt. Dit betekent dat het aantal mogelijkheden voor zelfs een relatief kort eiwit van zo'n 100 aminozuren een factor 1050 groter is dan het aantal atomen in het heelal.

Laten we nu eens een heel gulle schatting geven van het aantal alternatieven dat mogelijk uitgeprobeerd is. Neem daartoe aan dat het hele universum volledig zou bestaan uit aminozuren die gebruikt kunnen worden om eiwitten te maken. Een eiwit dat uit slechts 100 aminozuren bestaat, zou op zijn minst 1000 atomen bevatten. We zouden dus ten alle tijde ongeveer 1080/103 = 1077 van dergelijke eiwitten kunnen voortbrengen.

Laten we verder aannemen dat er ongeveer een halve minuut nodig zou zijn om een eiwit van 100 aminozuren te produceren (polypeptide-verbindingen worden gevormd met een snelheid van ongeveer drie tot vijf keer per seconde). Maar, het is niet noodzakelijk om elke nieuwe polypeptide van de grond af op te bouwen. Een nieuwe aminozuur-sequentie kan eenvoudigweg gegenereerd worden door een of twee verbindingen te veranderen (d.w.z. door het ene aminozuur door een ander te vervangen). Het is dan redelijk om te veronderstellen dat we elke seconde een volledig nieuwe verzameling van 1077 eiwitten zouden kunnen uitproberen. Dit is natuurlijk een heel conservatieve benadering, waarin de realistischer vertragingen door het kopiëren/vertalen van een gen worden genegeerd.

En hoeveel tijd hebben we? Zelfs als we de conventionele schatting voor de leeftijd van het universum aanhouden, dat wil zeggen 15 miljard jaar, dan hebben we in totaal 1018 seconden om verschillende sequenties te proberen. Wat is dan het totale aantal verschillende eiwitten dat in deze tijdspanne kan worden geproduceerd? Als we de 1077 eiwitten per seconde vermenigvuldigen met 1018 seconden, dan kunnen we de bovengrens schatten op 1095.

Nieuwe eiwitten – Hopeloos onwaarschijnlijk
Wat zijn de implicaties van deze berekening met het oog op de volkomen onwaarschijnlijkheid van de productie van nieuwe eiwitten? Zelfs als we alle bestaande materie in het universum zouden kunnen aanwenden en deze sinds het begin van de kosmos onophoudelijk zouden combineren, zo snel als rationeel gezien denkbaar is, dan is de verhouding van de mogelijk voortgebrachte combinaties slechts 1095/10135 = 1/1040 of 10-40. Als we dus zouden proberen om een specifiek eiwit met 104 aminozuren op een willekeurige manier voort te brengen, dan is onze kans op succes slechts in de orde van grootte van 1 op 1040, zelfs als we ontzettend gul alle bovenstaande aannames zouden doen.

Wat kunnen we uit dit alles concluderen? Dat we niet op willekeurige mutaties kunnen vertrouwen als producenten van specifieke eiwitten. Het is volgens de kansrekening nu eenmaal niet mogelijk. Men kan zich niet meer verstoppen achter een geologische geschiedenis die miljarden jaren beslaat, zelfs niet als men beweert dat het leven op een astronomisch aantal andere planeten zou kunnen zijn geëvolueerd. Gezien de onmogelijkheid dat zelfs een specifiek nieuw eiwit met slechts 104 aminozuren zou kunnen worden voortgebracht (laat staan de ontelbare andere eiwitten die bovendien onderling aan elkaar gerelateerd moeten zijn), is de evolutieleer niet meer levensvatbaar.

Leer meer!