Dr Charlie Carter z University of North Carolina w Chapel Hill bada, w jaki sposób postępy w enzymologii i filogenetyce umożliwiają pomiary biochemiczne, które mogłyby odwzorować rozwój kodowania genetycznego przodków

Reakcje chemiczne w komórce powodują degradację bogatych w energię cząsteczek żywności i przebudowę ich wiązań chemicznych w inne cząsteczki niezbędne do budowy i utrzymania żywych organizmów z dala od równowagi chemicznej. Reakcje te zachodzą spontanicznie z szybkością, która obejmuje niezwykły zakres, z najszybszym dochodzącym do 10²⁵ razy szybciej niż najwolniejszy. ⁽¹⁾ Wszystkie te reakcje muszą być przyspieszane o różne wartości, aby utrzymać odpowiednie stężenie składników chemicznych w komórce. Enzymy doskonale wykonują to różnicowe przyspieszenie.

Enzymologia i filogenetyka

Enzymy to nanomaszyny, które przekształcają przypadkową chemię w regulowane szlaki metaboliczne, które podtrzymują życie. Ich precyzyjnie ukształtowane wnęki, zwane miejscami aktywnymi, mogą odróżnić jedną cząsteczkę od drugiej po tym, jak dobrze pasują do miejsca. Ten wyjątkowy talent umożliwia enzymom przyspieszenie reakcji o astronomiczne ilości wymagane do zsynchronizowania chemii życia. Zapewnia również specyfikę niezbędną do budowy sieci szlaków metabolicznych.

Enzymy to białka, które komórka składa zgodnie ze schematami genetycznymi (genami). Czytanie tych planów jest głównym przepływem informacji w żywych komórkach. Ewolucja molekularna to nauka o tym, jak enzymy przybrały swoją obecną postać. Badania filognetyczne odnajdują sukcesywnie dalszych krewnych i wykorzystują te porównania do konstruowania drzew genealogicznych. Te drzewa z kolei sugerują sekwencje aminokwasowe wspólnych przodków. Obszerne bazy danych sekwencji genów otwierają dostęp do najnowszej historii ewolucji enzymów i powiązanych białek regulatorowych. ^(2-4)

Odległe pochodzenie proteomu stanowi jednak większe wyzwanie. Trójwymiarowe struktury muszą kierować podejściem filogenetycznym. Takie analizy ujawniają, że współczesne enzymy mają hierarchiczną modularność. Enzymy spokrewnione ewolucyjnie wykorzystują te same miejsca aktywne, aby przyspieszyć podobne reakcje chemiczne. Natura następnie osadza te miejsca aktywne, jak rosyjskie lalki matrioszki, w kolejnych „warstwach” dodatkowego polipeptydu, który wzmacnia działanie dojrzałych enzymów i odróżnia jedną rodzinę od drugiej. Ta hierarchia wskazuje na głębsze korzenie współczesnych enzymów.

Urzymologia

Głównym krokiem naprzód była dekonstrukcja tej modułowej hierarchii i ekspresja tylko modułu miejsca aktywnego z dwóch rodzin (klasy I i II) syntetaz aminoacylo-tRNA (AARS). ^(5-7) AARS to nanomaszyny, które faktycznie tłumaczą kod genetyczny. Odgrywają kluczową rolę w odczytywaniu informacji z genów. Ku naszemu zaskoczeniu te małe fragmenty wymagają minimalnego przeprojektowania, aby zachowywały się jak dojrzałe współczesne enzymy. Są po prostu słabsi i mniej dyskryminujący. Nazywamy je „urzymami”, łącząc przedrostek „ur” (= „pierwszy”) z „enzym”. Ich sekwencje aminokwasowe są również blisko spokrewnione, a ich aktywność katalityczna i specyficzność substratowa przypominają ich pełnowymiarowe odpowiedniki. Te dwie właściwości sprawiają, że urzymy są użytecznymi modelami eksperymentalnymi do pierwotnego powstawania i wczesnej ewolucji enzymów. ⁽⁸⁾

Kataliza przez pełnej długości AARS klasy I zależy od dwóch różnych sekwencji sygnatur miejsca aktywnego, HIGH w pobliżu N-końca i KMSKS na C-końcu domeny katalitycznej. Mutacja polarnych reszt histydyny i lizyny w tych sygnaturach oddzielnie iw połączeniu z syntetazą leucylo-tRNA pełnej długości i jej urzymem, LeuAC ⁽⁹⁾ pozwoliło na pomiar energii sprzężenia energetycznego koordynującego wpływ dwóch sygnatur na katalizę. Co ciekawe, te dwie sygnatury działają synergistycznie w pełnej długości LeuRS, ale przeciwstawiają się sobie nawzajem w urzymach. Ten wynik jest prima facie dowody zarówno na to, że kataliza urzymu jest prawdziwa, jak i na to, że domeny wyeliminowane w celu wytworzenia urzymu narzucają skoordynowane zachowanie tych sygnatur w dojrzałym enzymie.

Urzymes umożliwia eksperymentalne badania tego, jak zaczęło się kodowanie genetyczne

Nigdy nie było oczywiste, jak eksperymentalnie zbadać molekularne pochodzenie kodu genetycznego. Obecnie jest to możliwe dzięki najnowszym osiągnięciom w urząmologii (patrz ryc. 1). Podczas gdy my opracowywaliśmy urzymy AARS, inne grupy odkryły, że AARS pełnej długości mogą acylować domeny macierzyste akceptora ich pokrewnych tRNA.

Kluczowy krok w opracowaniu systemu eksperymentalnego nastąpił, gdy niedawno wykazaliśmy, że urzymy AARS również acylują minihelisy tRNA. ⁽¹⁰⁾ Generowanie dodatkowych takich par może zmienić reguły gry, ułatwiając eksperymentalne pomiary zakresów substratów aminokwasów i minihelisy tRNA, które mogą być aminoacylowane przez różne pokrewne pary urzyme•minihelisa.

Mój poprzedni kawałek ⁽¹¹⁾ zauważył, że pokrewne pary AARS•tRNA są obliczeniowymi bramkami AND, które sprawiają, że kodowanie genetyczne działa. Specyficzne właściwości kodowania przodków pokrewnych par urzyme•minihelix Ryc. 1B mogą pomóc nam zrozumieć, jakie katalizatory można wytworzyć przy użyciu mniejszej liczby liter kodujących. Eksperymentalny dostęp do tego nowego typu informacji może pomóc nam w mapowaniu rozwoju alfabetu kodowania.