Kendi kendine üretim için optimizasyon, ribozomun gizemli özelliklerini açıklayabilir

Anonim

Kendi kendine üretim için optimizasyon, 20 Temmuz'da Nature'daki Harvard Tıp Okulu'ndan araştırmacıların rapor ettiği hücrenin protein üretim fabrikaları olan ribozomların temel özelliklerini açıklayabilir.

Yeni bir çalışmada, Harvard Tıp Okulu'nda sistem biyolojisi profesörü olan Johan Paulsson tarafından yönetilen bir ekip, verimli hücre büyümesini ve bölünmesini desteklemek için ribozomların mümkün olduğunca çabuk ek ribozomlar üretecek şekilde hassas bir şekilde yapılandırıldıklarını gösterdi.

Çalışmanın teorik tahminleri, ribozomların geniş ölçekli özelliklerinin doğru bir şekilde yansıtılmasını sağladı. Bu da, neden büyük ölçüde küçük, tekdüze büyüklükteki proteinler ve büyük ölçüde büyüklükte değişen birkaç RNA dizisinden oluştuğunu ortaya koydu ve bir evrime dair bir bakış açısı sağladı. olağanüstü moleküler makine.

Paulsson, "Ribozom tüm yaşamın en önemli moleküler komplekslerinden biridir ve onlarca yıldır bilimsel disiplinlerde incelenmiştir." Dedi. “Her zaman daha ince ayrıntılarını açıklayabildiğimiz gibi görünüyordu, ama ribozomlar sık ​​sık ele alınmayan bu tuhaf özelliklere sahipler, ya da tatmin edici olmayan bir şekilde.”

Her canlı hücre, ister tek bir bakteri ister insan nöronu olsun, herhangi bir şehir kadar dinamik ve karmaşık bir biyolojik sistemdir. Hücrelerin içinde yer alan duvarlar, otoyollar, enerji santralleri, kütüphaneler, geri dönüşüm merkezleri ve çok daha fazlasıdır, hepsi yaşamın devamını sağlamak için birlikte çalışırlar.

Bu sayısız yapıların büyük çoğunluğu proteinlerden yapılmış ve yapılmıştır. Ve bu proteinler ribozomlar tarafından yapılır.

Gizemli özellikleri

Bilim adamları, ribozomların genetik bilgiyi atomik çözünürlükte proteinlere nasıl çevirdiğini açıklığa kavuşturmuş olsa da, doğruluk, hız ve kontrol için hassas bir şekilde ayarlanmış bir moleküler makineyi ortaya çıkarmış, geniş çaplı özelliklerinin birçoğunda hangi avantajların ortaya çıktığını açıklığa kavuşturmamıştır.

Ribozomlar, organizma tipine bağlı olarak 55 ila 80 arasında her yerde, şaşırtıcı derecede çok sayıda farklı yapısal proteinlerden oluşur. Bu proteinler beklenenden daha fazla değildir, alışılmadık şekilde kısa ve eşit uzunluktadırlar. Ribozomlar ayrıca ribozomun toplam kütlesinin yüzde 70'ini oluşturan iki ila üç adet RNA dizisinden oluşur.

Paulsson, “Kolektif özelliklerin neden var olduğunu anlamadan, bir ormana bakmak ve kloroplastların ve fotosentezin nasıl çalıştığını anlamak ve çim yerine neden ağaç olduğunu açıklayamamak gibi bir şey” dedi.

Bu yüzden Paulsson ve onun işbirlikçileri, HMS doktora sonrası bir üyesi olan Shlomi Reuveni ve İsveç'teki Uppsala Üniversitesi'nden Måns Ehrenberg, farklı bir ışıkta ribozoma bakmaya karar verdiler.

Reuveni, "Bizim devrimimiz atomdan uzaklaşıp ribozomu yeni bir bakış açısından ele alarak geldi." Dedi. “Ribozomu protein üreten bir makine olarak değil, protein üretim sürecinin ürünü olarak düşünmedik.”

Ağaçlar için orman

Bir hücrenin bölünmesi için, kız hücrelerinin ihtiyaç duyduğu tüm proteinleri yapmak için iki tam ribozom seti olmalıdır. Bu nedenle, ribozomların kendilerini yapabildikleri hız, böylelikle hücre bölünmesinin ne kadar hızlı gerçekleştiğine dair bir sınırlama getirir. Paulsson ve meslektaşları, evrimini hızlandıran birincil seçici baskı olsaydı, ribozomun özelliklerinin neye benzemesi gerektiği konusunda teorik matematiksel modeller geliştirdiler.

Ekip, yeni ribozomlar üretme görevini - her biri son ürünü küçük bir parça yapıyor - dağıtmanın, her yeni ribozomun en kısa sürede daha fazla ribozom oluşturmasına yardımcı olduğundan üretim oranını yüzde 30'a kadar artırabileceğini hesapladı. Oluşturulur, süreci hızlandırır.

Bu, bakteriler gibi hızlı bir şekilde bölünmesi gereken hücreler için muazzam bir avantaj sağlar. Bununla birlikte, protein üretim sürecinin başlaması zaman alır ve bu genel maliyet, bir ribozomun, matematiğe göre yapılabildiği protein sayısını sınırlar.

Takımın modelleri, maksimum kendi kendine üretim etkinliği için, 40 ila 80 protein arasında bir ribozom yapılması gerektiğini öngördü. Bu proteinlerin her biri, ortalama bir hücresel proteinden yaklaşık üç kat daha küçük olmalı ve hepsi kabaca benzer boyutlarda olmalıdır.

Laboratuvardan tamamen bağımsız olarak geliştirilen araştırmacıların teorisinin, ribozomun gözlemlenen protein bileşimini doğru bir şekilde yansıttığı ortaya çıkmaktadır.

Paulsson, "Bulgularımız için bir benzetme, sadece çok sayıda ev inşa eden bir grup marangoz değil, diğer marangozları da inşa eden marangozlar olarak düşünmek olurdu." Dedi. “İşi, sürece yardımcı olmak için başka bir marangozun daha hızlı bir şekilde birleştirilmesi için paralel olarak yapılabilecek çok sayıda küçük parçaya bölmek için bir teşvik var.”

Teori ve gerçeklik

Paulsson ve meslektaşları ayrıca, yapısal bir bileşen olarak hareket eden ribozomal RNA'yı incelediler ve ribozomun amino asitleri proteinlerle birbirine bağlamanın enzimatik aktivitesini gerçekleştirdiler.

Analizleri göstermiştir ki, bir ribozom daha fazla RNA yapılır, daha hızlı üretilebilir. Bunun nedeni hücrelerin ribozomal RNA'yı proteinden çok daha hızlı yapabilmeleridir. Bu nedenle, RNA enzimlerinin protein enzimlerinden daha az etkili olduğu düşünülürken, ribozomlar, daha fazla ribozomun yapılabileceği oranı maksimuma çıkarmak için mümkün olduğunca fazla RNA kullanmak için muazzam bir basınca sahiptir.

Paulsson, "Ribozomun RNA kullanarak uzaklaşabileceği herhangi bir yer, bunu kullanmalıdır çünkü kendi kendine üretim hızı ikiye katlanabiliyor veya üç katına çıkabiliyor." "RNA, enzimatik işlev için protein ile karşılaştırıldığında daha düşük olsa bile, bir hücre, olabildiğince hızlı ribozom üretmeye çalışıyorsa, RNA kullanmanın hala büyük bir avantajı vardır."

Takıma göre bu gözlemin öncelikle kendinden üreten ribozomlar için tutulması öngörülüyordu. Hücredeki diğer birçok yapı kendi kendine üretmez ve RNA yerine protein kullanılarak sağlanan stabilite ve etkinlik için üretim hızını feda edebilir.

Birlikte ele alındığında, ekibin teorisi, yaşam alanları boyunca görülen ribozomun geniş ölçekli özelliklerini doğru bir şekilde öngörmektedir. Bakteriler gibi en hızlı büyüyen organizmaların en kısa ribozomal proteinlere ve en büyük miktarlarda ribozomal RNA'ya neden sahip olduğunu açıklar. Spektrumun karşı ucunda, bir zamanlar kalıcı bir simbiyotik duruma giren bakteriler olduğu düşünülen, ökaryotik hücrelerin enerji santralleri olan mitokondri bulunur. Mitokondrilerin kendileri üretmeyen kendi ribozomları vardır. Bu basınç olmadan, mitokondriyal ribozomlar gerçekten daha büyük proteinlerden ve hücresel ribozomlardan çok daha az RNA'dan yapılır.

Reuveni, "Bu projeye başladığımızda, teori aracılığıyla açıklamaya çalıştığımız uzun bir özellik listesi yoktu." Dedi. "Teori ile başladık ve bazı özellikler ortaya çıktı. Matematiğimizin tahmin ettiğiyle karşılaştırmak için verilere baktığımızda, çoğu durumda doğada görülenlerle eşleştiklerini gördük."

Ekip, sadece evrimsel bir geçmişin kalıntıları olmaktan ziyade, ribozomların sıra dışı özelliklerinin, parçalarının kolektif özelliklerine etki eden ek bir fonksiyonel optimizasyon katmanı yansıttığını gösteriyor.

Paulsson, "Bu çalışma temel bilim olsa da, tüm yaşamın paylaştığı bir şeyi ele alıyoruz." Dedi. “Yapı ve fonksiyon üzerindeki kısıtlamaların nereden geldiğini anlamamız önemlidir, çünkü temel bilimin pek çoğu gibi, yeni bilginin sonuçlarının gelecekte ne şekilde açığa çıkabileceğinin öngörülemez olması”.

menu
menu