Naukowcy odkryli starożytny fałd białkowy, który może wyjaśnić, w jaki sposób podstawowe elementy składowe życia stały się złożonymi systemami, które widzimy dzisiaj.
Ta dawno zaginiona struktura może pomóc w rozwiązaniu tajemnic wczesnego życia i ewolucji.
Odkrycie utraconego fałdu białkowego
Dwóch biologów RIKEN odkryło w drodze eksperymentów laboratoryjnych nieznany wcześniej fałd białkowy, oferując nowy wgląd w wczesną ewolucję życia na Ziemi. Ten fałd białkowy, całkowicie nieobecny we współczesnych białkach, może wypełnić krytyczną lukę w naszym rozumieniu ewolucji molekularnej.
Białka kierujące podstawowymi procesami biologicznymi, takimi jak ekspresja genów i produkcja białek, opierają się na różnych fałdach strukturalnych zwanych fałdami β-beczułkowymi. Jednak ścieżki ewolucyjne łączące te fałdy pozostają niejasne – aż do teraz.
Dzięki symulacjom naukowcy zidentyfikowali prawdopodobną starożytną topologię składania, nazwaną beczką podwójnej zeta (DZBB). Odkrycie to rzuca światło na to, jak złożone maszyny biomolekularne mogły ewoluować z prostszych prekursorów, oferując nowe spojrzenie na pochodzenie molekularnej złożoności życia.
Wgląd w ewolucję białek
„Odkrycie tego fałdu białkowego brakującego ogniwa pomaga nam zrozumieć ewolucyjne powiązania między wieloma różnymi białkami w znacznie prostszy sposób, niż się spodziewaliśmy” – wyjaśnia Shunsuke Tagami z RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research (BDR).
DZBB przypomina zwarty cylinder złożony ze splatających się pasm białkowych. Starożytna struktura przypominająca origami może przekształcić się w inne kluczowe kształty białek za pomocą zaledwie kilku poprawek, odkrył Tagami i kolega z BDR, Sota Yagi. Te zespoły DZBB służą jako wszechstronna podstawa ewolucji molekularnej.
Korzystając z technik biologii syntetycznej w laboratorium, para prześledziła rozwój tych starożytnych fałdów białkowych. Zaczęli od znalezionej fałdy DNA I RNA polimerazy – enzymy odpowiedzialne za replikację genomu i transkrypcję genów. Wykazali także, że dzięki prostym i wykonalnym etapom mutacji mogły ewoluować w fałdy występujące we współczesnych białkach rybosomalnych, które są niezbędne do syntezy białek w komórkach.
Wyzwania AI w badaniach nad białkami
Ten ewolucyjny postęp wymagał struktury pośredniej, DZBB, którą można było odkryć jedynie eksperymentalnie – nie można było jej przewidzieć metodami obliczeniowymi, nawet przy użyciu najnowszych algorytmów uczenia maszynowego. To podkreśla ograniczenia prądu sztuczna inteligencja (AI) w identyfikacji takich złożonych struktur białkowych.
„Ponieważ sztuczna inteligencja udziela odpowiedzi, pod dużym wpływem zbioru danych szkoleniowych, weryfikacja eksperymentalna pozostaje niezbędna do dokonywania naprawdę nieoczekiwanych odkryć” – mówi Tagami.
Konsekwencje odkrycia DZBB
Wyniki mogą pomóc w rozwiązaniu długotrwałej zagadki dotyczącej ewolucji pierwotnych białek, które zarządzają procesami genetycznymi. Metamorficzna natura DZBB, która pozwala mu przyjmować wiele stabilnych form w różnych warunkach, mogła pozwolić na szybką dywersyfikację maszynerii molekularnej we wczesnym okresie życia – podobnie jak u zwierząt gatunek podczas eksplozji kambryjskiej.
Odkrycia nasuwają również intrygujące pytanie: jeśli DZBB odegrał tak kluczową rolę w umożliwieniu powstania maszyn molekularnych zarządzających przepływem informacji genetycznej w komórkach, to dlaczego dzisiaj nie obserwuje się już topologii składania?
„DZBB mogło być tymczasową formą białka, która istniała tylko podczas ewolucyjnego przejścia między starożytnymi prostymi formami” – mówi Tagami.
Odniesienie: „Fałd przodków ujawnia ewolucyjne powiązanie między polimerazą RNA a białkami rybosomalnymi”, Sota Yagi i Shunsuke Tagami, 18 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50013-9
