Αλλά πώς γεννήθηκε αυτό το λεξικό και γιατί είναι φτιαγμένο με αυτόν τον τρόπο;
Μία νέα μελέτη από την ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Illinois στο Urbana-Champaign προσφέρει μία αναπάντεχη απάντηση: τα ίχνη της προέλευσης του κώδικα δεν είναι μόνο “ενσωματωμένα” στα νουκλεϊκά οξέα, αλλά και στις ίδιες τις πρωτεΐνες – συγκεκριμένα, στα συνδυασμένα αμινοξέα που ονομάζονται διπεπτίδια.
Αυτή η προσέγγιση ενώνει τη φυλογενωμία, τη βιοπληροφορική και τις ιδέες της συνθετικής βιολογίας και ανοίγει τον δρόμο για μια ακριβέστερη μηχανική των ζωντανών συστημάτων.
Τι ακριβώς ανακάλυψαν οι ερευνητές
Η ομάδα συνέκρινε τα εξελικτικά δέντρα τριών επιπέδων: των δομικών τομέων των πρωτεϊνών, των μεταφορικών RNA (tRNA) και των διπεπτιδίων – των ελάχιστων “τουβλακίων” που αποτελούνται από δύο αμινοξέα.
Αποδείχθηκε ότι οι χρονικές κλίμακες συμβαδίζουν: η σειρά “σύνδεσης” των αμινοξέων με τον γενετικό κώδικα αντικατοπτρίζεται σε ποιες διπεπτιδικές και πρωτεϊνικές δομές εμφανίστηκαν και καθιερώθηκαν στους αρχαίους οργανισμούς, τα βακτήρια και τους ευκαρυώτες.
Στην τεράστια βάση δεδομένων τους – με 4,3 δισεκατομμύρια αλληλουχίες διπεπτιδίων από 1561 πρωτεώματα – ανιχνεύεται ένας κοινός ρυθμός για την επιπλοκότητα του κόσμου των πρωτεϊνών και την εξειδίκευση του κώδικα.
«Ανακαλύψαμε ότι η προέλευση του γενετικού κώδικα συνδέεται μυστηριωδώς με τη σύνθεση των διπεπτιδίων του πρωτεώματος – του συνόλου των πρωτεϊνών στο σώμα», δήλωσε ο καθηγητής Gustavo Caetano-Anollés.
Η κεντρική ιδέα: Τα διπεπτίδια δεν είναι τυχαία.
Εμφανίστηκαν ως δομικά μοντέλα που βοηθούν τις πρωτεΐνες να αναδιπλωθούν και να λειτουργήσουν, ενώ ταυτόχρονα δημιουργήθηκαν κανόνες «αντιστοιχιών» μεταξύ κωδόνων και αμινοξέων – από τον πρώιμο λειτουργικό κώδικα tRNA/συνθετάσης μέχρι τον σύγχρονο παγκόσμιο γενετικό κώδικα.
Η ζωή βασίζεται σε δύο γλώσσες: αυτή των νουκλεοτιδίων (DNA/RNA) και αυτή των πρωτεϊνών.
Μεταξύ τους βρίσκεται η ριβόσωμα και μια σειρά αμινοξυλο-tRNA συνθετάσεων, ενζύμων «διορθωτών», που αντιστοιχούν σε κάθε tRNA την «δική του» αμινοξύ και διορθώνουν τα λάθη.
Η έρευνα δείχνει ότι η εξέλιξη αυτών των ενζύμων συνέβη παράλληλα με την επέκταση του αλφαβήτου των αμινοξέων και την εμφάνιση νέων διπεπτιδίων.
«Γιατί η ζωή βασίζεται σε δύο γλώσσες — μία για τα γονίδια και μία για τις πρωτεΐνες;» αναρωτήθηκε ο καθηγητής Caetano-Anollés.
Ένα ακόμα εκπληκτικό εύρημα είναι η «διπλότητα» των διπεπτιδίων: ζεύγη όπως το AL και το LA (αντιδιπεπτίδια) συχνά εμφανίζονται σχεδόν συγχρόνως, σα να αντικατοπτρίζονται το ένα στο άλλο στην εξελικτική κλίμακα.
Αυτό υποδεικνύει μια αρχαία συμπληρωματικότητα στον τρόπο κωδικοποίησης στις δύο αλυσίδες των νουκλεϊνικών οξέων και τα «μινιμαλιστικά» tRNA στην αυγή του κόσμου των πρωτεϊνών.
Πώς διαβάζουν οι επιστήμονες τον κώδικα μέσω των πρωτεϊνών: βήμα προς βήμα
– Συγκεντρώνουν δείγματα πρωτεωμάτων (Αρχαίοι, Βακτήρια, Ευκαρυώτες) και εξάγουν τα διπεπτίδια.
– Δημιουργούν φυλογενετικά δέντρα με βάση τις συχνότητες των διπεπτιδίων και τους καταλόγους των τομέων.
– Συγκρίνουν αυτά με τα «ρολόγια» των tRNA και αμινοξυλο-tRNA συνθετασών.
– Σημειώνουν τις αντιστοιχίες “κορυφών”: όταν προστέθηκαν νέα αμινοξέα, ποια διπεπτίδια καθιερώθηκαν.
– Ελέγχουν τη συμφωνία των αποτελεσμάτων με στατιστικά και μοντέλα αβεβαιότητας.
– «Ανακαλύψαμε ότι τα αποτελέσματα συμφωνούν μεταξύ τους», παρατήρησε ο καθηγητής Caetano-Anollés.
Και αν…
Τι θα συνέβαινε αν θεωρούσαμε τα διπεπτίδια ως «πρωτογενή πρωτεϊνικά κώδικα», συμπληρωματικά στον πρώιμο κώδικα tRNA;
Σε αυτή την περίπτωση, η μηχανική των ενζύμων (συστήματα CRISPR, πολυμεράσες, οργανισμοί-φόρμες) θα μπορούσε να αξιοποιήσει στοχευμένα συνδυασμούς αμινοξέων που έχουν “εξελικτικά εξορυχθεί”, αυξάνοντας τη σταθερότητα, την ικανότητα συγκέντρωσης και την ακρίβεια του καταλύτη.
Συχνές Ερωτήσεις:
Τι είναι τα διπεπτίδια και γιατί είναι σημαντικά;
– Είναι ζεύγη αμινοξέων (400 παραλλαγές).
– Οι συχνότητές τους στα πρωτεώματα αντανακλούν την επιλογή για δομή και λειτουργία και φέρουν εξελικτικά σήματα.
Γιατί η συμφωνία των δέντρων είναι ισχυρό επιχείρημα;
Ανεξάρτητα δεδομένα (τομείς, tRNA, διπεπτίδια) συμφώνησαν ως προς τη σειρά “ένταξης” των αμινοξέων — αυτό μειώνει τον κίνδυνο συστηματικού σφάλματος.
Πώς αυτό θα βοηθήσει στη βιοπληροφορική και την μηχανική CRISPR;
Παρέχει μια «βιβλιοθήκη» ανθεκτικών μοτίβων/διπεπτιδίων για πιο σταθερές πρωτεΐνες-διορθωτές, κανάλια και ένζυμα.
Μύθοι και αλήθειες:
Μύθος: Ο γενετικός κώδικας είναι “παγωμένος” και ακατανόητος.
Αλήθεια: Η ιστορία του παρακολουθείται μέσω των πρωτεϊνών και των tRNA· είναι εμφανή τα στάδια αύξησης της εξειδίκευσης.
Μύθος: Τα εξήγησε μόνο η “υπόθεση του κόσμου RNA”.
Αλήθεια: Τα δεδομένα δείχνουν τη συνεχιζόμενη εξέλιξη των πρωτεϊνών και των tRNA/συνθετασών.
Μύθος: Τα διπεπτίδια είναι τυχαία και δευτερεύοντα.
Αλήθεια: Συσχετίζονται με τη διάπλαση και τις λειτουργίες και φέρουν αρχαία σήματα επιλογής.
Τρεις χρήσιμες συμβουλές για τους μηχανικούς:
Κατά το σχεδιασμό ενός ενζύμου, ξεκινήστε την αναζήτηση προτύπων από αρχαίους τομείς και συχνά διπεπτίδια πρώιμων ομάδων.
Επαληθεύστε την ειδικότητα μέσω του «λειτουργικού κώδικα»: μοτίβα αναγνώρισης tRNA και διόρθωσης συνθετάσης.
Για σταθερότητα σε οργανισμούς-φόρμες, επιλέξτε συνθέσεις αμινοξέων που είναι «συνδεδεμένες» με αρχαία σημεία των δέντρων.
Ιστορικό πλαίσιο:
3,8 δισ. χρόνια πριν: Γέννηση της ζωής· αργότερα, διαμόρφωση των «δύο κωδίκων» και μετάφραση με ριβόσωμα.
20ος αιώνας: Αποκρυπτογράφηση του γενετικού κώδικα, ανακάλυψη του tRNA και διόρθωση από τις συνθετάσες.
21ος αιώνας: Φυλογενωμία τομέων, μεγάλες βάσεις δεδομένων πρωτεωμάτων, σύγκριση των δέντρων των τομέων, tRNA και διπεπτιδίων.
Τρία ενδιαφέροντα γεγονότα:
Από τα 400 διπεπτίδια, ορισμένα ζεύγη και οι «καθρέφτες» τους (αντιδιπεπτίδια) εμφανίζονται σχεδόν συγχρόνως — σπάνια εξελικτική συμμετρία.
Οι πρώιμες ομάδες αμινοξέων σχετίζονται με την εμφάνιση της ενζυματικής διόρθωσης — “ασφάλεια” για τη σωστή φόρτωση tRNA.
Τα πρωτεώματα “συντηρούν” καλύτερα την πρώιμη ιστορία του κώδικα από τα γονιδιώματα: η επιλογή μέσω της δομής διατηρεί το σήμα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Η συνθετική βιολογία αναγνωρίζει την αξία της εξελικτικής προοπτικής», τονίζει ο καθηγητής Gustavo Caetano-Anollés.
www.bankingnews.gr
