Proteine noi ce apar „din nimic” și care au de la bun început o formă apropiată de cea pe care o vor avea după 50 de milioane de ani de evoluție…

Proteinele sunt componenta cheie a tuturor formelor moderne de viață. Hemoglobina, de exemplu, transportă oxigenul din sângele nostru; proteinele de fotosinteză din frunzele plantelor transformă lumina soarelui în energie; iar enzimele fungice ne ajută să preparăm bere și să coacem pâine.

Cercetătorii examinează de mult timp modul în care proteinele suferă mutații sau iau naștere în decursul mileniilor. Faptul că proteine complet noi – și, odată cu ele, proprietăți noi – pot apărea practic din nimic, a fost de neconceput timp de decenii, în conformitate cu ceea ce spunea filozoful grec Parmenide: „Nimic nu poate apărea din nimic” (ex nihilo nihil fit).

Lucrând împreună cu colegi din SUA și Australia, cercetătorii de la Universitatea din Münster (Germania) au reconstituit acum modul în care evoluția formează structura și funcția unei proteine nou apărute la muște. Această proteină este esențială pentru fertilitatea masculină. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Communications.

Până acum se presupunea că noile proteine apar din proteine deja existente – printr-o duplicare a genelor de bază și printr-o serie de mici mutații în una sau ambele copii ale genelor. În ultimii zece ani, însă, a apărut o nouă înțelegere a evoluției proteinelor: proteinele se pot dezvolta și din așa-numitul ADN (acid dezoxiribonucleic) necodificator – cu alte cuvinte, din acea parte a materialului genetic care nu produce în mod normal proteine – și se pot dezvolta ulterior în componente celulare funcționale.

Acest fapt este surprinzător din mai multe motive: timp de mulți ani, s-a presupus că, pentru a fi funcționale, proteinele este necesar să aibă o formă geometrică foarte dezvoltată (o structură 3D). De asemenea, s-a presupus că o astfel de formă nu se poate dezvolta de la o genă care apare la întâmplare, ci ar necesita o combinație complexă de aminoacizi care să permită acestei proteine să existe în forma sa funcțională.

În ciuda deceniilor de încercări, cercetătorii din întreaga lume nu au reușit încă să construiască proteine cu structurile și funcțiile 3D dorite, ceea ce înseamnă că, deocamdată, „codul” pentru formarea unei proteine funcționale este în esență necunoscut. În timp ce această sarcină rămâne o enigmă pentru oamenii de știință, natura s-a dovedit a fi mai pricepută la formarea de noi proteine.

O echipă de cercetători condusă de profesorul Erich Bornberg-Bauer, de la Institutul de Evoluție și Biodiversitate de la Universitatea din Münster, a descoperit, prin compararea genomurilor recent analizate la numeroase organisme, că speciile nu diferă doar prin intermediul genelor duplicate care codifică proteine adaptate în cursul evoluției. În plus, proteinele se formează în mod constant de novo – adică fără ca vreo proteină precursoare înrudită să treacă printr-un proces de selecție.

Marea majoritate a acestor proteine de novo sunt inutile, sau chiar ușor dăunătoare, deoarece pot interfera cu proteinele existente în celulă. Astfel de proteine noi se pierd rapid din nou după câteva generații, deoarece organismele purtătoare ale noii gene care codifică proteina au o supraviețuire sau o reproducere deficitară.

Cu toate acestea, câteva proteine de novo selecționate se dovedesc a avea funcții benefice. Aceste proteine se integrează în componentele moleculare ale celulelor și, în cele din urmă, după milioane de ani de modificări minore, devin indispensabile.

Există câteva întrebări importante pe care mulți cercetători și le pun în acest context: Cum arată astfel de proteine noi la naștere? Cum se modifică și ce funcții își asumă acestea ca „noii copii din cartier”? În frunte cu grupul profesorului Bornberg-Bauer din Münster, o echipă internațională de cercetători a răspuns la această întrebare cu lux de amănunte pentru Goddard, o proteină a muștelor de fructe care este esențială pentru fertilitatea masculină.

Cercetarea a continuat pe trei fronturi conexe pe trei continente. La Colegiul Sfintei Cruci din Massachusetts, SUA, dr. Prajal Patel și Prof. Geoff Findlay au folosit editarea genomului CRISPR/Cas9 pentru a arăta că muștele masculine care nu produc Goddard sunt sterile, dar altfel sănătoase.

În paralel, dr. Andreas Lange și doctorandul Brennen Heames din grupul profesorului Bornberg-Bauer au folosit tehnici biochimice pentru a prezice forma noii proteine în muștele actuale. Apoi au folosit metode evolutive pentru a reconstrui structura probabilă a lui Goddard acum aproximativ 50 de milioane de ani, când proteina a apărut pentru prima dată.

Ceea ce au descoperit a fost o surpriză: „Proteina Goddard ancestrală semăna deja foarte mult cu cele care există în speciile de muște de astăzi”, explică Erich Bornberg-Bauer. „Încă de la început, Goddard conținea unele elemente structurale, așa-numitele alfa-helice, despre care se crede că sunt esențiale pentru majoritatea proteinelor.”

Pentru a confirma aceste descoperiri, scena s-a mutat la Universitatea Națională Australiană din Canberra, unde dr. Adam Damry și prof. Colin Jackson au folosit simulări computaționale intensive pentru a verifica forma prezisă a proteinei Goddard.

Aceștia au validat analiza structurală a doctorului Lange și au arătat că Goddard, în ciuda vârstei sale tinere, este deja destul de stabilă – deși nu la fel de stabilă ca majoritatea proteinelor de muscă, despre care se crede că există de mai mult timp, poate de sute de milioane de ani.

Rezultatele se potrivesc cu alte câteva studii actuale, care au arătat că elementele genomice din care apar genele care codifică proteine sunt activate frecvent – de zeci de mii de ori la fiecare individ. Aceste fragmente sunt apoi sortate prin procesul de selecție evolutivă. Cele care sunt inutile sau dăunătoare – marea majoritate – sunt eliminate rapid. Dar cele care sunt neutre sau sunt ușor benefice pot fi optimizate de-a lungul a milioane de ani și transformate în ceva util.

Citiți și:
Procese ce au loc la nivel cuantic pot declanșa mutații ale ADN-ului. Ce înseamnă aceasta și cum ne poate afecta
Cum a ajuns Francis S. Collins de la descoperirea genomului uman la aflarea lui Dumnezeu

yogaesoteric
12 ianuarie 2022