Tối ưu hóa cho tự sản xuất có thể giải thích các tính năng bí ẩn của ribosome

Anonim

Tối ưu hóa cho tự sản xuất có thể giải thích các tính năng chính của ribosome, các nhà máy sản xuất protein của tế bào, báo cáo các nhà nghiên cứu từ Trường Y khoa Harvard trong tự nhiên vào ngày 20 tháng 7.

Trong một nghiên cứu mới, một nhóm nghiên cứu do Johan Paulsson, giáo sư sinh học hệ thống tại Trường Y Harvard, đã chứng minh rằng ribosome được cấu trúc chính xác để tạo ra các ribosome bổ sung càng nhanh càng tốt, để hỗ trợ sự phát triển và phân chia tế bào hiệu quả.

Các dự đoán lý thuyết của nghiên cứu phản ánh chính xác các đặc điểm quy mô lớn của ribosome - tiết lộ lý do tại sao chúng được tạo thành từ một số lượng lớn các protein nhỏ và có kích cỡ đồng đều và một vài RNA có kích thước rất khác nhau và cung cấp quan điểm về sự tiến hóa của máy phân tử đặc biệt.

"Ribosome là một trong những phức hợp phân tử quan trọng nhất trong tất cả cuộc sống, và nó đã được nghiên cứu qua các ngành khoa học trong nhiều thập niên, " Paulsson nói. "Tôi luôn bị phân vân bởi thực tế rằng dường như chúng tôi có thể giải thích chi tiết tốt hơn của nó, nhưng ribosome có những đặc điểm lạ thường không được giải quyết, hoặc nếu không theo cách không hài lòng."

Mỗi tế bào sống, dù một loại vi khuẩn hay một nơron của con người, là một hệ thống sinh học năng động và phức tạp như bất kỳ thành phố nào. Chứa trong các tế bào là tường, đường cao tốc, nhà máy điện, thư viện, trung tâm tái chế và nhiều hơn nữa, tất cả cùng làm việc cùng nhau để đảm bảo sự tiếp tục của cuộc sống.

Phần lớn các cấu trúc vô số này được tạo thành từ các protein. Và những protein này được tạo ra bởi ribosome.

Tính năng bí ẩn

Mặc dù các nhà khoa học đã mở khóa cách mà các ribosome biến thông tin di truyền thành các protein ở độ phân giải nguyên tử, cho thấy một máy phân tử được tinh chỉnh chính xác, tốc độ và kiểm soát, chưa rõ những ưu điểm nào nằm trong một số tính năng quy mô lớn của nó.

Ribosome bao gồm một số lượng lớn các protein cấu trúc khác nhau - bất cứ nơi nào từ 55 đến 80, tùy thuộc vào loại sinh vật. Những protein này không chỉ lớn hơn nhiều so với dự kiến, chúng có chiều dài ngắn và thống nhất bất thường. Ribosome cũng bao gồm hai đến ba sợi RNA, chiếm tới 70% tổng khối lượng ribosome.

Paulsson nói: “Nếu không hiểu tại sao các đặc điểm tập thể tồn tại, nó giống như nhìn vào một khu rừng và hiểu được lục lạp và quang hợp hoạt động như thế nào, và không thể giải thích tại sao có cây thay vì cỏ”.

Vì vậy, Paulsson và cộng sự của ông Shlomi Reuveni, một đồng nghiệp sau tiến sĩ của HMS, và Måns Ehrenberg thuộc Đại học Uppsala ở Thụy Điển, đã quyết định xem xét ribosome theo một ánh sáng khác.

Reuveni nói: “Bước đột phá của chúng tôi đến từ việc phóng to từ nguyên tử và nhìn vào ribosome từ một góc độ mới”. "Chúng tôi không nghĩ về ribosome như một cỗ máy sản xuất protein, mà đúng hơn là sản phẩm của quá trình sản xuất protein."

Rừng cây

Để một tế bào phân chia, nó phải có hai bộ ribosome đầy đủ để tạo ra tất cả các protein mà tế bào con cần. Tốc độ mà tại đó các ribosome có thể tự tạo ra, do đó, đặt ra một giới hạn cứng trong việc phân chia tế bào nhanh như thế nào. Paulsson và các đồng nghiệp của ông đã đưa ra các mô hình toán học lý thuyết cho các tính năng của ribosome nếu như tốc độ là áp lực chọn lọc chính thúc đẩy sự tiến hóa của nó.

Nhóm nghiên cứu đã tính toán rằng phân phối nhiệm vụ tạo ra ribosome mới trong số nhiều ribosome - mỗi phần tạo ra một mảnh nhỏ của sản phẩm cuối cùng - có thể làm tăng tỷ lệ sản xuất tới 30%, vì mỗi ribosome mới giúp tạo ra nhiều ribosome càng sớm càng tốt chúng được tạo ra, thúc đẩy quá trình.

Đây là một lợi thế rất lớn cho các tế bào cần phân chia nhanh chóng, chẳng hạn như vi khuẩn. Tuy nhiên, quá trình sản xuất protein cần có thời gian để bắt đầu, và chi phí trên không giới hạn số lượng protein mà ribosome có thể được tạo ra, theo toán học.

Các mô hình của nhóm nghiên cứu dự đoán rằng, để đạt hiệu quả tự sản xuất tối đa, một ribosome nên được tạo ra từ 40 đến 80 protein. Mỗi loại protein này nhỏ hơn khoảng 3 lần so với một protein tế bào trung bình, và tất cả chúng nên có kích thước gần bằng nhau.

Nó chỉ ra rằng lý thuyết của các nhà nghiên cứu, phát triển hoàn toàn độc lập với phòng thí nghiệm, phản ánh chính xác thành phần protein quan sát của ribosome.

Paulsson cho biết: “Một sự tương tự cho những phát hiện của chúng tôi là suy nghĩ về ribosome không phải là một nhóm thợ mộc chỉ xây dựng nhiều ngôi nhà, mà là thợ mộc cũng chế tạo những thợ mộc khác. "Sau đó, có một khuyến khích để chia công việc thành nhiều mảnh nhỏ có thể được thực hiện song song để nhanh chóng lắp ráp một thợ mộc hoàn chỉnh khác để giúp đỡ trong quá trình này."

Lý thuyết và thực tế

Paulsson và các cộng sự của ông cũng kiểm tra RNA ribosome, hoạt động như một thành phần cấu trúc và thực hiện hoạt động enzym của ribosome liên kết các axit amin với nhau thành các protein.

Phân tích của họ cho thấy, RNA càng có nhiều ribosome thì càng có thể sản sinh ra nó càng nhanh. Điều này là do các tế bào có thể làm cho RNA ribosome nhanh hơn nhiều so với protein. Do đó, trong khi các enzym RNA được cho là kém hiệu quả hơn so với các enzyme protein, ribosome có áp lực rất lớn để sử dụng càng nhiều RNA càng tốt để tối đa hóa tốc độ có thể tạo ra nhiều ribosome hơn.

"Bất cứ nơi nào ribosome có thể lấy đi bằng cách sử dụng RNA, nó nên sử dụng nó vì tốc độ tự sản xuất về cơ bản có thể được tăng gấp đôi hoặc tăng gấp ba lần, " Paulsson nói. "Ngay cả khi RNA kém hơn so với protein cho chức năng enzym, vẫn còn một lợi thế lớn để sử dụng RNA nếu một tế bào đang cố gắng để sản xuất ribosomes càng nhanh càng tốt."

Quan sát này được dự đoán là chủ yếu để tự sản xuất ribosome, theo nhóm nghiên cứu. Hầu hết các cấu trúc khác trong tế bào không tự sản xuất và có thể hy sinh tốc độ sản xuất cho sự ổn định và hiệu quả được cung cấp bằng cách sử dụng protein thay vì RNA.

Kết hợp với nhau, lý thuyết của nhóm nghiên cứu dự đoán chính xác các đặc điểm quy mô lớn của ribosome được thấy trên các lĩnh vực của cuộc sống. Nó giải thích tại sao các sinh vật phát triển nhanh nhất, chẳng hạn như vi khuẩn, có các protein ribosomal ngắn nhất và số lượng lớn nhất của RNA ribosome. Ở đầu đối diện của quang phổ là ti thể - các nhà máy điện của các tế bào nhân chuẩn, được cho là đã từng là vi khuẩn xâm nhập vào trạng thái cộng sinh vĩnh viễn. Ti thể có ribosome riêng của chúng mà không tự sản sinh ra. Nếu không có áp lực này, các ribosome ti thể thực sự được tạo thành từ các protein lớn hơn và ít RNA hơn các ribosome tế bào.

"Khi chúng tôi bắt đầu dự án này, chúng tôi không có một danh sách dài các tính năng mà chúng tôi đã cố gắng giải thích thông qua lý thuyết", Reuveni nói. "Chúng tôi bắt đầu với lý thuyết, và một số tính năng nổi lên. Khi chúng tôi xem xét dữ liệu để so sánh với những gì toán học của chúng tôi dự đoán, chúng tôi thấy trong hầu hết các trường hợp chúng khớp với những gì được nhìn thấy trong tự nhiên."

Thay vì chỉ là di tích của quá khứ tiến hóa, các tính năng bất thường của ribosome do đó dường như phản ánh một lớp bổ sung chức năng tối ưu hóa hoạt động trên các thuộc tính tập thể của các bộ phận của nó, nhóm nghiên cứu viết.

"Trong khi nghiên cứu này là khoa học cơ bản, chúng tôi đang giải quyết một cái gì đó được chia sẻ bởi tất cả cuộc sống", Paulsson nói. "Điều quan trọng là chúng ta hiểu được những hạn chế về cấu trúc và chức năng đến từ đâu, bởi vì cũng giống như nhiều khoa học cơ bản, không thể đoán trước những hậu quả của kiến ​​thức mới có thể mở khóa trong tương lai."

menu
menu