Pierwotny enzym sprzed dwóch miliardów lat

Rekonstrukcji (DOI: 10.1093/molbev/msac250) dokonał zespół biologów molekularnych i bioinformatyków kierowany przez profesora Mario Mörla (biochemia) i profesor Sonję Prohaskę (bioinformatyka) z uniwersytetu w Lipsku (Niemcy).

Chodzi o nukleotydylotransferazy tRNA: enzymy, które w komórce przyłączają trzy nukleotydy w sekwencji C-C-A do tRNA (tzw. transferowe lub transportujące RNA), dzięki czemu tRNA może następnie dostarczać aminokwasy do syntezy białek.

Zespół badawczy porównał właściwości zrekonstruowanej nukleotydylotransferazy tRNA z właściwościami współczesnego enzymu bakteryjnego. Oba enzymy działają mniej więcej z podobną precyzją, ale różnią się przebiegiem reakcji.

Wyniki pokazują, że z rekonstrukcji enzymów można się wiele dowiedzieć o ewolucji i właściwościach współczesnych enzymów, a wiele pytań można rozwiązać jedynie poprzez interakcję między bioinformatyką a biochemią – w tę i z powrotem między obliczeniami komputerowymi a eksperymentami laboratoryjnymi.

Rekonstrukcja dawnych genów jest procesem trzyetapowym. Najpierw trzeba przeszukać bazy danych pod kątem odpowiednich współczesnych enzymów, aby móc zbadać sekwencję aminokwasów. Uzyskane sekwencje można wykorzystać do obliczenia, jak powinna wyglądać pierwotna sekwencja. Sekwencja genu kodująca stary enzym jest następnie wprowadzana do bakterii laboratoryjnych, tak, aby utworzyły pożądane białko. Wtedy można szczegółowo zbadać enzym, aby określić jego właściwości i porównać ze współczesnymi enzymami. „Kiedy z laboratorium nadeszła wiadomość, że zrekonstruowany enzym dokonuje dodawania C-C-A i to nawet w szerszym zakresie temperatur niż dzisiejsze enzymy, to był przełom” – wspomina Sonja Prohaska.

W toku ewolucji zarówno całe organizmy, jak i ich enzymy ulegają optymalizacji. Działanie enzymu jest zwykle tym szybsze i lepsze, im silniej może on związać się z ulegającym działaniu enzymu substratem.

Tak właśnie zachowuje się zrekonstruowany pierwotny enzym: trzyma się substratu, (tRNA) i przyłącza do niego trzy nukleotydy C-C-A jeden po drugim, nie puszczając. To tak zwane działanie procesywne – nieprzerwane.

Natomiast współczesne nukleotydylotransferazy tRNA działają ”dystrybucyjnie” - z przerwami, podczas których wielokrotnie uwalniają swój substrat. Mimo to są one bardziej wydajne i szybsze niż ich przodkowie.

Naukowców dziwiło to ciągłe przyłączanie i uwalnianie enzymu. Wyjaśnieniem okazało się zjawisko reakcji odwrotnej, w której już wbudowane nukleotydy są ponownie usuwane przez enzym. Silne wiązanie pierwotnego enzymu z substratem skutkuje jego późniejszym usuwaniem, natomiast w przypadku współczesnych enzymów reakcja odwrotna jest prawie całkowicie eliminowana dzięki uwalnianiu substratu. Pozwala to na wydajniejszą pracę enzymu.

„Wreszcie udało nam się wyjaśnić, dlaczego współczesne nukleotydylotransferazy tRNA działają tak wydajnie pomimo ich dystrybucyjnego charakteru – powiedział Mario Mörl. - Odkrycie całkowicie zaskoczyło nasz zespół. Nie spodziewaliśmy się czegoś takiego. Zadaliśmy sobie to pytanie 20 lat temu i teraz w końcu możemy na nie odpowiedzieć za pomocą bioinformatycznych metod rekonstrukcji. Ścisła współpraca bioinformatyki i biochemii istnieje w Lipsku od kilku lat i nie po raz pierwszy okazała się wielką korzyścią dla obu stron”.(PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/