Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Molekylære hårnålestrukturer gør effektive DNA -replikatorer

Kredit:rost9 / fotolia.com

Udviklingen af ​​celler og organismer menes at have været forud for en fase, hvor informationsmolekyler som DNA kunne replikeres selektivt. Nyt arbejde viser, at hårnålestrukturer laver særligt effektive DNA -replikatorer.

I metabolismen af ​​alle levende organismer er der en klar arbejdsdeling:Nukleinsyrer (DNA og RNA) bærer informationen til syntese af proteiner, og proteiner leverer de strukturelle og udøvende funktioner, der kræves af celler, såsom den kontrollerede og specifikke katalyse af kemiske reaktioner med enzymer. Imidlertid, i de seneste årtier, det er blevet klart, at denne sondring på ingen måde er absolut. Især er RNA i stand til at ignorere den ovenfor skitserede grænse og vides at spille en katalytisk rolle i mange vigtige processer. For eksempel, visse RNA -molekyler kan katalysere replikationen af ​​andre nukleinsyrer, og denne alsidighed kunne hjælpe med at forklare, hvordan liv opstod på Jorden.

Nukleinsyremolekyler består af underenheder kaldet nukleotider, som adskiller sig i deres såkaldte baser. Baserne fundet i RNA omtales som A, C, G og U (DNA bruger T i stedet for U). Disse baser falder i to komplementære par, hvis medlemmer specifikt interagerer, A med T (eller U) og G med C. Denne komplementaritet er det, der tegner sig for stabiliteten af ​​DNA -dobbeltspiralen, og gør det muligt for enkelte tråde af RNA at folde sig til komplekse former.

Livet menes at være opstået fra en proces med kemisk udvikling, hvor nukleinsyresekvenser selektivt kunne replikeres. Dermed, i præbiotiske systemer blev visse molekylære "arter", der bar information, gengivet på andres bekostning. I biologiske systemer, sådan selektivitet medieres normalt af såkaldte primere-tråde af nukleinsyre, der parrer (som beskrevet ovenfor) med en del af molekylet, der skal replikeres, for at danne en kort dobbelt helix. Primeren giver et udgangspunkt for forlængelse af den dobbeltstrengede region til dannelse af en ny datterstreng. I øvrigt, denne proces kan rekonstrueres i reagensglas.

Fordele og ulemper ved hårnålreplikatorer

Georg Urtel og Thomas Rind, som er medlemmer af forskningsgruppen ledet af Dieter Braun (professor i systembiofysik ved LMU), har brugt et sådant system til at identificere egenskaber, der kan favorisere den selektive replikation af DNA -molekyler. Til deres eksperimenter, de valgte en enkeltstrenget DNA-sekvens, der vedtager en såkaldt hårnålestruktur. I disse molekyler, basesekvenserne i hver ende er komplementære med hinanden, som er korte sekvensstrækninger i resten af ​​molekylet. Denne fordeling af komplementære sekvenser får en sådan streng til at folde ind i en hårnålelignende konformation.

Takket være parringsreglerne beskrevet ovenfor, replikation af en enkelt streng af DNA producerer en anden streng, hvis sekvens adskiller sig fra den for den første. Hver streng af en struktur uden hårnål har derfor brug for sin egen primer til replikation. Men med hårnåle, en primer er tilstrækkelig til at prime syntese af både originalen og dens komplementære streng. "Det betyder, at hårnåle er relativt enkle replikatorer, "Påpeger Georg Urtel. Ulempen er, at hårnålstrukturen gør primerbinding vanskeligere, og dette begrænser igen deres replikationshastighed. Molekylære arter, der er blottet for hårnålestrukturer, har ikke dette problem.

Samarbejde slår konkurrence

I efterfølgende eksperimenter opdagede forskerne, at to simple hårnålearter kunne samarbejde for at give anledning til en meget mere effektiv replikator, som kræver to primere til sin forstærkning. De to udvalgte hårnålesorter krævede hver en anden primer, men deres sekvenser var til dels identiske. Skiftet til kooperativ replikation sker, når replikation af en af ​​hårnålene går i stå. "Som regel, replikationsprocesser i naturen er aldrig perfekte, "siger Dieter Braun." Sådan et for tidligt stop er ikke noget, man skal designe i systemet. Det sker stokastisk, og vi gør brug af det i vores eksperimenter. "Den delvist replikerede hårnål kan, imidlertid, binde til et molekyle af den anden art, og fungerer som en primer, der kan forlænges yderligere. I øvrigt, det resulterende produkt danner ikke længere en hårnål. Med andre ord, det repræsenterer en ny molekylær art.

Reddet fra udryddelse

Sådanne såkaldte 'krydsninger' har brug for to primere til deres replikation, men kan ikke desto mindre replikeres betydeligt hurtigere end en af ​​deres hårnåleforfædre For yderligere forsøg viste det, ved seriel fortynding af befolkningen, hårnålens DNA'er er snart uddød. Imidlertid, sekvensinformationen, de indeholdt, overlever i krydsninger og kan replikeres yderligere.

Det omvendte eksperiment bekræftede, at oplysningerne faktisk er bevaret:Hvis krydsninger kun leveres med en primer, de tilsvarende stamfader hårnåle -arter kan stadig replikeres med den slags skifteproces, der er nævnt ovenfor. Men, i fravær af den anden primer, krydsningen dør ud. "Dermed, krydsningsprocessen giver ikke kun mulighed for overgangen fra 'enkle og langsomme' replikatorer til hurtigere replikatorer, det gør det også muligt for systemet at tilpasse sig de gældende forhold, "Urtel forklarer." Det tyder også på, hvordan tidlige replikatorer kunne have samarbejdet med hinanden under præbiotiske forhold før levende systems systemer opstod. "

Varme artikler