_ Potențialul ascuns al ARN: studiu nou își dezvăluie rolul în viața timpurie și în bioingineria viitoare

Începutul vieții pe Pământ și evoluția ei de-a lungul miliardelor de ani continuă să intrigă cercetătorii din întreaga lume. Dogma centrală sau fluxul direcțional al informațiilor genetice de la un șablon de acid nucleic dezoxiriboză (ADN) la o transcriere a acidului nucleic de riboză (ARN) și, în final, într-o proteină funcțională, este fundamentală pentru structura și funcțiile celulare.

ADN-ul funcționează ca modelul celulei și poartă informațiile genetice necesare pentru sinteza proteinelor funcționale. În schimb, proteinele sunt necesare pentru sinteza ADN-ului. Prin urmare, dacă ADN-ul a apărut primul sau proteina, continuă să rămână o chestiune de dezbatere.

Această versiune moleculară a întrebării „găină și ou” a condus la propunerea unei „Lumi ARN”. ARN-urile sub formă de „ribozime” sau enzime ARN, transportă informații genetice similare cu ADN-ul și posedă, de asemenea, funcții catalitice precum proteinele.

Descoperirea ribozimelor a alimentat și mai mult ipoteza ARN World în care ARN-ul a îndeplinit funcții duble de „stocarea informațiilor genetice” și „cataliza”, facilitând activitățile vieții primitive numai prin ARN. În timp ce ribozomii moderni sunt un complex de ARN-uri și proteine, ribozimele din timpul stadiilor evolutive timpurii ar fi putut fi reunite prin asamblarea unităților funcționale individuale de ARN.

Pentru a testa această ipoteză, profesorul Koji Tamura, împreună cu echipa sa. de cercetători de la Departamentul de Știință și Tehnologie Biologică, Universitatea de Știință din Tokyo, au efectuat o serie de experimente pentru a decoda ansamblul ribozimelor funcționale. Pentru aceasta, au proiectat o ribozimă artificială, R3C ligaza, pentru a investiga modul în care unitățile individuale de ARN se reunesc pentru a forma o structură funcțională.

Lucrările lor sunt publicate în revista Life.

Giving O perspectivă suplimentară asupra cercetării lor, Prof. Tamura afirmă: „Ligaza R3C este o ribozimă care catalizează formarea unei legături 3’,5’-fosfodiester între două molecule de ARN. Am modificat structura prin adăugarea de domenii specifice care pot interacționa cu diverse efectori."

În cadrul ribozomilor, care sunt locul sintezei proteinelor, unitățile de ARN se asamblează pentru a funcționa ca centre de peptidil transferază (PTC) într-un mod astfel încât să formeze o schelă pentru recrutarea aminoacizilor (individuali). componente ale unei peptide/proteine) atașate la ARNt.

Aceasta este o perspectivă importantă asupra istoriei evolutive a sistemelor de sinteză a proteinelor, dar nu este suficient să urmărim calea evolutivă pe baza ipotezei ARN World.

Pentru a explora dacă alungirea ARN-ului, realizată prin legarea unităților individuale de ARN între ele, este reglementată alosteric, cercetătorii au modificat structura ligazei R3C. Ei au făcut acest lucru prin încorporarea secvențelor scurte de ARN care leagă trifosfatul de adenozină (ATP), o moleculă vitală purtătoare de energie în celule, în ribozimă. Echipa a observat că activitatea ligazei R3C a fost dependentă de concentrația de ATP, activitate mai mare observată la concentrații mai mari de ATP.

În plus, o creștere a temperaturii de topire (valoarea Tm) a indicat că legarea ATP-ului la ligaza R3C a stabilizat structura, ceea ce probabil a influențat activitatea ligazei acesteia.

În mod similar, la fuzionarea unei secvențe de ARN de legare a L-histidinei cu ribozimă, ei au observat o creștere a activității ligazei la concentrații crescânde de histidină ( un aminoacid cheie). În special, creșterea activității a fost specifică creșterii concentrațiilor de ATP sau histidină; nu s-au observat modificări ca răspuns la alți nucleotide trifosfați sau aminoacizi.

Aceste descoperiri sugerează că ATP și histidina acționează ca molecule efectoare care declanșează modificări conformaționale structurale ale ribozimei, care influențează în continuare stabilitatea și activitatea enzimei.

ATP este purtătorul de energie central al celulei care susține numeroase procese moleculare, în timp ce histidina este cel mai frecvent aminoacid găsit în locul activ al enzimelor și menține chimia lor acido-bazică. Având în vedere rolurile importante ale ATP și histidinei în interacțiunile ARN și funcțiile moleculare, aceste rezultate oferă noi perspective asupra rolului ARN-ului în evoluția timpurie, inclusiv originea codului genetic.

În plus, ribozimele concepute, cum ar fi cel dezvoltat în acest studiu este promițător semnificativ într-o multitudine de aplicații, inclusiv livrarea direcționată a medicamentelor, terapie, nano-biosenzori, ingineria enzimatică și sinteza de enzime noi cu utilizări în diferite procese industriale.

În general, acest studiu poate oferi perspective asupra modului în care a avut loc tranziția de la Lumea ARN la „Lumea ADN/Proteinei” modernă. O înțelegere fundamentală a lumii ARN, la rândul său, poate îmbunătăți utilizarea lor în aplicații din viața reală.

„Acest studiu va duce la elucidarea procesului de „achiziție bazată pe alostericitate a funcției și a cooperativității” în Evoluția ARN-ului, interacțiunile ARN-ARN, interacțiunile ARN-aminoacizi și alostericitatea aplicate în această cercetare pot ghida fabricarea de nanostructuri ARN arbitrare, cu diverse aplicații”, conchide prof. Tamura.

(Fluierul)