Выдающийся американский биолог, профессор University of Chicago и бывший ученый в Howard Hughes Medical Institute. Он известен своей революционной работой по восстановлению генов и исследованию механизмов, благодаря которым белки приобретают новые функции. Его исследования не только углубили понимание эволюции, но стали предметом обсуждения в контексте дебатов об интеллектуальном дизайне. Далее на ichicago.
Биография
Джо Торнтон имеет необыкновенный путь в науку. Он начал получать образование как студент английской литературы и несколько лет работал экологическим активистом в Greenpeace. Такой опыт сформировал у него глубокое понимание влияния науки на общество и окружающую среду.
Торнтон начал формальное обучение в области биологии. Он получил докторскую степень в Columbia University, специализировался на эволюционной генетике. Докторская работа над механизмами генетических изменений заложила основы для дальнейших исследований в реконструкции молекулярной эволюции. Далее он проходил обучение в American Museum of Natural History, где овладел методами восстановления эволюционных историй белков. В это время он начал сочетать свой опыт экологической деятельности с эмпирическими исследованиями эволюции молекул.
Торнтон начал независимую академическую деятельность в 2002 году в качестве ассистента профессора биологии в University of Oregon, а к 2009 году стал полным профессором в Центре экологии и эволюционной биологии. В 2012 году он перешел в University of Chicago, где возглавляет лабораторию Thornton Lab и участвует в междисциплинарных программах подготовки аспирантов в области экологии, эволюции и генетики.
Торнтон также был связан с Howard Hughes Medical Institute как Early Career Scientist, получил финансирование для исследований эволюции белков из-за восстановления древних генов. Он получил стипендию John Simon Guggenheim Memorial Foundation в 2014 году за вклад в интегративную эволюционную и молекулярную биологию.
Исследование
Современная биология активно использует междисциплинарный подход для понимания того, как эволюционируют белки. Лаборатории, изучающие эти процессы, совмещают знания эволюционных биологов, биохимиков, биофизиков, компьютерных биологов, генетиков и молекулярных биологов. Совместная работа и обмен методами позволяют глубоко исследовать историю белков и определять, как их свойства и функции изменились в течение миллионов лет.
Основным методом в этих исследованиях есть филогенетическая реконструкция истории древних белков. Ученые восстанавливают последовательности существовавших в прошлом белков, синтезируют их в лаборатории, а затем экспериментально оценивают их биологическую функцию и физические свойства. Такой подход позволяет определить, какие мутации имели большой эффект на функцию белков, а какие – небольшой, а также как взаимодействие различных изменений влияет на эволюционные пути.
Исследование эволюции белков помогает ответить на классические и современные вопросы: как развиваются сложные молекулярные системы, проходит ли эволюция благодаря небольшим или большим мутациям или обуславливает эпистаз (взаимодействие мутаций) конкретные эволюционные пути и результаты? Важным аспектом является вопрос оборачиваемости эволюционного процесса и влияние архитектуры биологических систем на их эволюционное развитие. Эволюционный анализ позволяет понять, почему белки обладают определенной структурой и функциями, как развивается их архитектура. Ученые могут установить, почему определенные белки уязвимы к действию специфических лекарств или загрязнителей.
Торнтон восстановил древние рецепторы стероидов, чтобы выяснить, как формировалась их специфичность. Его команда восстановила рецепторы 450-600 миллионов лет и показала, что первоначальные рецепторы были промискуитными, способными взаимодействовать с несколькими лигандами. Постепенно мутации, последовательно стабилизирующие белок, позволили современным рецепторам развить узкую специфичность без потери основной функции. Лабораторные эксперименты продемонстрировали, что попытки вернуть современные рецепторы в состояние предков были нефункциональны из-за накопления структурных ограничений. Это подтвердило значимость исторической зависимости и эволюционного пути в определении современных функций белков.
Научная деятельность
Основная область исследований Джо Торнтона состоит в восстановлении генов. Эта методика позволяет реконструировать генетические последовательности и воспроизводить их активность в лабораторных условиях. Такой подход позволяет изучать, как белки эволюционировали и приобретали новые функции в течение миллионов лет.
Его работа в значительной степени повлияла на современные дискуссии о сложности и интеллектуальном дизайне, поскольку эксперименты Торнтона демонстрируют, что сложные биологические функции могут появляться постепенно из-за эволюционных изменений. Это подчеркивает важность случайности и контингентности в процессах эволюции, что делает ее непредсказуемой и в то же время научно доказанной. Его исследования способствовали развитию экспериментальной молекулярной палеобиологии и дали механистические объяснения эволюционных процессов, исключая аргументы о “невыполнимости” сложных белковых систем.
Основной метод Торнтона – реконструкция древних белков (ancestral sequence reconstruction, ASR). Он использует филогенетический анализ современных гомологов для восстановления белков, которые существовали сотни миллионов лет назад. Затем эти белки синтезируют в лаборатории и исследуют биофизические и функциональные свойства. Такой подход позволяет выявлять, как эволюционные новации возникают из-за последовательных мутации, которые могут временно снимать ограничения белка и давать возможность дальнейших изменений. Например, лабораторные исследования Торнтона показали, что новые взаимодействия гормонов-рецепторов развивались из-за редких мутаций, что ослабляло специфичность белка и позволяло дальнейшее совершенствование. Методы Торнтона оказали влияние на многочисленные лаборатории, применяющие реконструкцию древних белков для изучения древних ферментов.
Исследования Торнтона часто освещаются популярными обсуждениями эволюции и биологии. Его работы опубликованы в Nature, Science и других ведущих журналах, а их цитирование превышает 14500 раз. Работы показывают, как научные методы позволяют восстанавливать ход эволюции и проверять гипотезы о развитии сложных функций. Они имеют большое значение для биомедицины, генетики и фундаментальной науки о жизни.
Награды
За свою лепту в науку Джо Торнтон получил многочисленные награды и премии. Среди них – Приз Президента США для молодых ученых и инженеров в Белом доме, а также Career Award от Национального научного фонда и Early Career Scientist Award от Howard Hughes Medical Institute. Его уникальный подход к науке, сочетание молекулярной биологии и эволюционной теории сделал его одним из ведущих ученых современности.
Его карьера также пример того, как нестандартный путь в науку — от английской литературы и экологического активизма до молекулярной биологии — может привести к революционным открытиям. Это вдохновляет молодых ученых совмещать разные интересы и искать собственный уникальный путь в науке.