Tredje artikkel som presenterer en ingeniøranalyse av bakterieflagellen som tar utgangspunkt i intelligent design
Oversatt herfra.

I løpet av det siste året har jeg dekket to artikler av ingeniør Waldean Schulz om ingeniørdesignet til den bakterielle flagellen (se mine anmeldelser av hans første artikkel -lenke, og hans andre -lenke). Nå, som Brian Miller bemerket tidligere, har Schulz publisert sin tredje og siste fagfellevurderte artikkel om emnet i BIO-Complexity, med tittelen "An Engineering Perspective on the Bacterial Flagellum: Part 3 — Observations." Han konkluderer med at et så komplekst system som flagellumet "virker dypt usannsynlig å utvikle seg naturlig i fravær av framsyn og bevisste hensikter."

Bilde 1. Skjematisk fremstilling av bakterieflagell

Skissering av forholdet mellom flagellens-komponenter
Schulz begynner med å liste opp de forskjellige delene av flagellen, og beskriver deres funksjonelle-mekaniske-biokjemiske forhold.

Se figur 1 fra artikkelen nedenfor:
Dette diagrammet - som viser interaksjoner når det gjelder tekniske skjemaer - er ulikt noen beskrivelse av flagellen som jeg har sett i noen annen teknisk artikkel. Det innebærer et helt nytt nivå av kompleksitet. Ikke bare de nødvendige mekaniske delene må være tilstede, men de må være designet for å samhandle på en kjemisk og mekanisk koordinert måte, som gjør at den molekylære maskinen kan fungere.

Seks spesifikasjoner for Flagellar-komponenter
Her er et eksempel på én type spesifikasjon:

Figur 1. Diagram av bakterieflagellens samvirkende deler

Linjene i figur 1 representerer svært spesifikke egenskaper til proteinene som utgjør de forskjellige underenhetene. For det første må den molekylære strukturen til proteinene som danner en ringrom eller rør, ha egenskapen at proteinene har bindingssteder som forbinder proteinene godt slik at de sekvensielt støter mot hverandre. Ved å gjøre det må hvert protein effektivt danne en N-graders bue. Det er en veldig spesifikk geometrisk og aminosyresekvens-egenskap for et foldet protein, som bare ekstremt sjeldne proteinkonfigurasjoner kan møte. Videre, for proteiner som danner et rør, binder hver runde av de spiralformede, kveilede-tau-lignende, ende-til-ende-koblede proteinene, og hver løkke av helixen til de foregående og etterfølgende løkkene for å danne et stabilt rør, og kan dermed overføre dreiemoment effektivt ved å være tangentielt stiv. Med andre ord må mange av proteinene binde seg til fire andre tilstøtende proteiner: proteinene foran og bak langs hver løkke av helixen, og proteinene i de foregående proksimale og påfølgende løkkene rundt helixen. De nærliggende proteinene kan være like (som i filamentet) eller forskjellige (hvor en underenhet binder seg til den neste). Det vil si at proteinene til hver delenhet må binde seg fast til proteinene fra minst én annen delenhet. Disse bindingsegenskapene krever strenge, veldig spesifikke krav til den foldede kjeden av aminosyrerester til disse proteinene, det vil si de innrettede stedene for ikke-kovalent binding mellom to like eller forskjellige proteiner.

Dette er bare den første av en liste med seks spesifikasjoner som flagellære proteiner må oppfylle - de andre er (2) fleksibilitet, (3) midlertidige bindingsforhold, (4) ikke-attraktivhet til bestemte komponenter, (5) størrelsestoleranser, og ( 6) tidsmessig nøyaktighet av endelige bindingsforhold (dvs. binding til rett tid). For å utdype spesifikasjonen (4), forklarer Schulz at denne har viktige mekaniske implikasjoner:

Visse par av underenheter må ikke ha noen tiltrekning som vist med "må aldri binde"-linjene i figur 1. For eksempel må den proksimale stangen rotere fritt inne i P-ringen. Denne egenskapen begrenser strengt aminosyrekonfigurasjonen i de involverte proteinene. Det innebærer videre at stangen må være nesten sirkulær, og det samme må "smørringhullet" til P-ringen (i tverrsnitt) som stangen passer gjennom med svært liten toleranse. Mens den proksimale stangen må rotere med liten friksjon, må P-ringen og den proksimale stangen likevel være så nær hverandre at det ikke er noen "lekkasje" gjennom rommet mellom dem. Lignende observasjoner gjelder for L-ringen og den distale stangen og for stator- og rotor-underenhetene. Det vil si at de indre diametrene til "smørringhullet" til ringene må passe veldig godt til de ytre diametrene til stangunderenhetene. Sirkularitetskravene og de stramme toleransene er ytterligere to geometriske egenskaper som må oppfylles av de inngående proteinene og måten de sammensmelter på.

Disse seks spesifikasjonene "må alle være til stede, så de allerede ekstremt sjeldne proteinkonfigurasjonene til den første egenskapen er enda strengere begrenset av de andre nødvendige egenskapene." Dette innebærer en form for irreduserbar og/eller spesifisert kompleksitet der et kjerneantall av deler ikke bare må være tilstede, men må oppfylle de riktige spesifikasjonene (materiale, mekanisk, biokjemisk, etc.) for å gi en funksjonell flagell.

Å binde det sammen
Schulz knytter også sammen "fra-toppen-ned"-spesifikasjonskravene identifisert i hans første artikkel med "bunnen-opp" implementeringen observert i hans andre artikkel. Her er ett eksempel som representerer en del av tabell 2 i artikkelen:

Tabell 2: Sammenligning av top-down spesifikasjon med bottom-up analyse: Fremdrift

Schulz gir en dyp innsikt: Hver begrensning som ble identifisert i top-down-analysen har en tilsvarende del som ble observert i bottom-up-analysen: "Det er tydelig at det er høy korrelasjon mellom top-down og bottom-up perspektivet. Hva er implikasjonen av denne sammenhengen? Det antyder at konfigurasjonen av flagellen er målrettet."

Bilde 2. Bakterie-flagell -annet perspektiv

Diverse perspektiver på flagellen
Schulz presenterer deretter unike observasjoner om flagellen fra vidt forskjellige perspektiver: en oppfinner, en ingeniør, en molekylærbiolog, en evolusjonist og en filosof.
Som en erfaren oppfinner, observerer Schulz at "mange patenter har blitt tildelt ganske enkelt for nye proteiner. Likevel involverer utformingen av et enkelt protein langt mindre intellektuelt innhold og originalitet enn det som kreves for å designe et sammenhengende kompleks av proteiner som samler seg selv til en organell. Dette avslører en viss ironi: den intellektuelle input fra oppfinnere gjenkjennes i et menneskedesignet protein, men ikke i et naturlig protein - eller i et sammenhengende undersystem av proteiner som utgjør en organell som flagellen." Dette minner om et paradoks jeg lenge har observert: vårt juridiske system er godt posisjonert for å oppdage design og gjør det hver gang en person blir dømt for en forbrytelse, men vitenskapen motstår ofte å trekke designslutninger.

Denne ironien eller paradokset må løses. Men hvordan kan vi gjenkjenne design i flagellen? Ingeniørens perspektiv hjelper til med å løse dette spørsmålet:
En erfaren ingeniør vil sette pris på den mentale innsatsen, den innsiktsfulle kreativiteten, det oppfinnsomme genialiteten og fremsynet som selv en ganske enkel enhet krever. Det begynner med å observere et behov eller problem, noe som innebærer målrettet innsikt. Det etterfølges av å identifisere tilgjengelige ressurser (materialer, verktøy, eksisterende deler), nødvendige funksjoner, normalt miljø, fysiske begrensninger og så videre. Deretter følges slike faktainnspill av ett eller flere designskjemaer. Selv om det kan tenkes mange designalternativer, er det svært få som oppfyller de foregående kravene og begrensningene. Hele denne prosessen krever betydelig mental innsats og er langt fra triviell eller tilfeldig. Ikke desto mindre eksemplifiserer ikke all denne abstrakte spesifikasjonen en fysisk enhet.

Det som trengs er framsyn og planlegging for å konvertere den abstrakte spesifikasjonen til fysisk virkelighet - selve prosessen med intelligent design. Slik gjør ingeniører det, ifølge Schulz:
-En serie på en eller flere prototyper må konstrueres fysisk. En prototype blir deretter testet for samsvar for i det vesentlige å tilfredsstille behovet eller løse det opprinnelige problemet og, mer spesifikt, alle de oppgitte og logisk utledede kravene. Alt dette gjelder flagellen, som den foregående diskusjonen har vist.
Og hva er den beste metoden for å finne løsningen på et problem? Er det et blind prøving og feilsøk? Schulz påpeker at Thomas Edison som oppfinner brukte mange forskjellige materialer når han prøvde å konstruere en lyspære - men de ble alle intelligent valgt basert på egenskapene deres. På samme måte observerer han at ingeniører hos "Microsoft, Apple eller Google ville aldri - aldri - kunne produsere spesifisert programvare ved et blindt søk." Oppfinnere og ingeniører innser at intelligens er en langt mer effektiv søkeprosess enn blind prøving og feiling.

Han sammenligner også prosessen med å teste ulike design med driften av naturlig utvalg. Akkurat som testing kan validere eller ugyldiggjøre et gitt design, kan valg bevare eller "velge ut" en gitt funksjon basert på om det gir en fordel eller ikke. Men Schulz bemerker at valg bare er et "passivt filter" - det kan ikke skape et nytt design. Derfor, "Det som virker utrolig er at tankeløse, tilfeldige mutasjoner noen gang kan innovere og eksemplifisre enhver med sammenhengende, intrikat funksjonalitet, utover trivielle modifikasjoner av eksisterende funksjonalitet." Han bemerker at "oddsene er massivt imot" et protein som oppfyller spesifikasjonene han listet opp og danner "et samvirkende kompleks av nye proteiner som binder seg sammen på riktig måte, eller til og med bare ett tilpasset, funksjonelt, foldet protein." Disse spesifikasjonene går også mot samvirke, fordi denne modellen "forutsetter at slike proteiner med mengden av egenskaper ... som matchende bindingssteder, ikke binder til hverandre i mange tilfeller, presise dimensjoner i forhold til hverandre, koordinert funksjonalitet, kontroll av fabrikasjons- og monteringsrekkefølge, og passende støkiometri (læren om mengdesammensetning av kjemiske stoffer)." Med andre ord, hele ideen om samvirke - å ta et protein og omforme det til å ta opp i seg en helt ny funksjon - innebærer at et protein må modifiseres og omskapes for å møte et helt nytt sett med spesifikasjoner. Dette tyder på at overtakelses forklaringer må overkomme et høyere nivå, enn det som ofte har blitt forstått.

Bilde 3. Flagell-filament i detalj

Molekylærbiologen er mindre opptatt av opprinnelse enn av hvordan systemer fungerer.

Schulz ser for seg at molekylærbiologen observerer at "hvert av de strukturelle proteinene til hver av flagellens underenheter krever en ekstremt presis molekylær konfigurasjon for samtidig å overholde flere svært spesifikke nødvendige egenskaper." Schulz gir deretter nye perspektiver på noen av begrensningene som flagellære proteiner må møte:
Bindingsstyrke for å overvinne molekylære krefter: "Kopiene av det eller de nødvendige proteinene i en underenhet må binde seg tett til hverandre, fordi på dette nivået, hvor Brownsk turbulens er dominerende, må flagellen være ekstremt seig og robust og må overføre dreiemoment effektivt.”
Riktig foldet geometri for å produsere generell form: «den foldede geometrien til mange av proteinene må være buede buer som fører til dannelsen av ringer og rør – bindende hode-til-hale; de proteinene som danner rør, må også binde seg til lignende proteiner i forutgående og etterfølgende svinger av spiralen.
Matching av riktige deler for protein-protein-mekaniske interaksjoner: "diametrene til årringene og rørene er kritisk tilpasset, for å danne en forsegling og likevel for å tillate effektiv rotasjon"

Binding til naboer: "hver kopi av de inngående proteinene i en underenhet må binde seg tett til proteinene til en eller to tilstøtende undersammensetninger"
Når det gjelder observasjonene til en evolusjonist, siterer Schulz Aizawa (2009) som innrømmer – fra et evolusjonært perspektiv – den vakre utformingen av flagellen:
-Siden flagellen er så godt designet og vakkert konstruert via en ordnet monteringsvei, får til og med jeg, som ikke er kreasjonist, en fryktinngytende følelse av dens "guddommelige" skjønnhet... Men hvis flagellen har utviklet seg fra en primitiv form, hvor er restene av dens stamfar? Hvorfor ser vi ingen mellomliggende eller enklere former for flageller enn det de er i dag? Hvordan var det mulig at flagellene har utviklet seg uten å sette spor i historien?
Likevel sier Aizawa at flagellen "har blitt strømlinjeformet av evolusjon for å minimere tidspunktet for monteringsprosessen" og "har ervervet sin skjønnhet ved å utvikle seg ..." Hvordan kan vi løse hans innrømmelse av at flagellen er "er så godt designet og vakkert konstruert" at det induserer en "ærefryktinngytende følelse fra dens 'guddommelige' skjønnhet," med hans uttalelse om at flagellen utviklet seg? Nå som Schulz skriver som filosof, gir han et enkelt svar: Aizawas motstridende uttalelser stammer fra hans "filosofiske tidligere forpliktelse til naturalisme."

Bilde 4. T3SS vs. bakterieflagell

Evolusjonære hindringer og intelligent design

Schulz gir mer kommentarer fra et evolusjonært perspektiv. Han bemerker at naturlig utvalg kan optimere funksjoner, men ikke innovere nye. Uten intelligent veiledning blir blind selekesjon ofte sittende fast på lokale egnethets-topper, og kan ikke alltid gå over til svært tilpassede funksjoner som sitter på andre adaptive topper: "uten intelligent valgte, passende startverdier - eller en mer sofistikert, robust algoritme - konvergerer enklere algoritmer ofte til lokale , suboptimale verdier."
Han siterer videre Merino (2009) som gjør den avgjørende observasjonen at "Sammenligning av de komplette genomsekvensene til flagellerte bakterier avslørte at flagellære strukturelle proteiner er basert på et eldgammelt kjernesett med 24 flagella-gener som var tilstede i den felles stamfaren til alle bakterier." Med andre ord, det ser ut til å være en ikke-reduserbar kompleks kjerne av protein-komponenter, som er felles for alle bakterier, og disse utgjør en alvorlig utfordring for evolusjonære forklaringer på flagellens opprinnelse. Schulz verdsetter implikasjonene av denne irreduserbarheten til flagellsystemet:

-To dusin gener krever ganske mange innovative opprinnelser som mangler detaljerte forklaringer - opprinnelse forekommer antagelig nesten samtidig. Videre, er det noen bevis for at proteiner produsert av en mindre kombinasjon av disse genene har noen funksjon? I alle fall, som nevnt ovenfor, er det ennå ingen spor av flagellær avstamning fra en enklere, funksjonell bevegelig organell." Dette utgjør en utfordring for det evolusjonære perspektivet. "Det fremtidige arbeidet," skriver Schulz, for enhver "evolusjonsteoretiker, er (1) å gi en detaljert hypotese for hvordan all den tett begrensede sammenføyende sammenhengen beskrevet ovenfor kunne ha utviklet seg naturalistisk under begrensninger i den virkelige verden og (2) for å vise bevis at et slikt scenario faktisk skjedde i fortiden» og «forutsetter et antatt detaljert, steg-for-steg-scenario for å forklare hvordan flagellen og dets kontrollsystem ble blindt konstruert naturalistisk.

Bilde 5. Struktur av flagell-cilium

Schulz er i tvil om at blind engineering er mulig - men han later ikke som om alle spørsmål er besvart:
-Hvordan ville deler av en begynnende flagell være beskyttet mot nedbrytning mens resten ennå ikke skulle utvikles gradvis? Hvis noen av kravene diskutert ovenfor kunne utelates, hvilken funksjon ville det gi? Dette er virkelige spørsmål som krever svar. Ja, dette er vanskelige spørsmål, og vi vet sikkert ikke på langt nær nok ennå til å svare på dem. Utfordringen er å svare på dem.

Viktigere, det faktum at det fortsatt er mye å lære om flagellen er ikke bevis på at vi ikke kan vurdere intelligent design. Faktisk, basert på det vi vet, hevder Schulz "det virker uoppriktig å late som om spørsmål om intelligent årsakssammenheng er irrelevante og uvesentlige når så mye allerede er kjent om den hierarkiske sammenstillingen, kontrollen og funksjonen til flagellen." Han konkluderer: "En motilitets-organell av dette omfanget og skalaen virker svært usannsynlig å skulle utvikle seg naturlig i fravær av framsyn og bevisste hensikter."

Skrevet av Casey Luskin

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund