Biologis behov for hastighed tolererer nogle få fejl

Biologien skal have travlt. Ved at afbalancere hastighed og nøjagtighed for at duplikere DNA, producere proteiner og udføre andre processer, evolutionen har tilsyneladende bestemt, at hastighed er af højere prioritet, ifølge forskere fra Rice University.

Risforskere udfordrer antagelser om, at perfekt nøjagtig transkription og oversættelse er afgørende for biologiske systemers succes. Det viser sig nogle få fejl her, og der er ikke kritiske, så længe det store flertal af de producerede biopolymerer er korrekte.

Et nyt papir viser, hvordan naturen har optimeret to processer, DNA-replikation og proteinoversættelse, der er grundlæggende for livet. Ved samtidig at analysere balancen mellem hastighed og nøjagtighed, Rice-teamet fastslog, at naturligt valgte reaktionshastigheder optimerer til hastighed "så længe fejlniveauet er acceptabelt."

Papiret i Proceedings of the National Academy of Sciences er af Rice postdoc-stipendiat Kinshuk Banerjee og hans rådgivere, Oleg Igoshin, en lektor i bioteknik og biovidenskab, og Anatoly Kolomeisky, en professor i kemi og kemisk og biomolekylær teknik.

Deres teknik gjorde det muligt for dem at se, at mens fejlkorrektion gennem kinetisk korrekturlæsning hælder mod hastighed, omkostningerne ved at gå så hurtigt som muligt kan nogle gange være for store.

Kinetisk korrekturlæsning er den biokemiske proces, der tillader enzymer, såsom dem, der er ansvarlige for protein- og DNA-produktion, for at opnå bedre nøjagtighed mellem kemisk lignende substrater. Sekvenser sammenlignes med skabeloner i flere trin og er enten godkendt eller kasseret, men hvert trin kræver tid og energiressourcer, og som et resultat opstår der forskellige afvejninger.

"Yderligere kontrolprocesser bremser systemet og bruger ekstra energi, " sagde Banerjee. "Tænk på et sikkerhedssystem i lufthavnen, der kontrollerer passagerer. Højere sikkerhed (nøjagtighed) betyder et behov for mere personale (energi), med længere ventetider for passagerer (mindre hastighed)."

Forskerne fandt de fremherskende teorier utilfredsstillende, da de blev interesseret i at lære, hvordan naturen retter sine fejl.

"Jeg har aldrig været tilfreds med den måde, folk ser på biologiske fejlkorrektionsmekanismer, fordi deres tilgange var forsimplet, " sagde Kolomeisky, der studerer mekanismerne i biologiske systemer. "Jeg ønskede en mere omfattende ramme, så vi kunne se på både de rigtige og forkerte veje til replikering og oversættelse, såvel som til andre processer.

"Vi udviklede en kraftfuld kvantitativ metode, hvormed vi samtidig kan beregne fejl, hastighed og energiomkostninger, hvor tidligere metoder kun fokuserede på fejl, " han sagde.

"Vi så, hvad der manglede, " tilføjede Igoshin, hvis laboratorium på Rices BioScience Research Collaborative studerer computersystembiologi. "Ved at analysere flere parametre samtidigt, vi kan se samspillet mellem energi, fejl og hastighed og afgør, hvor optimering finder sted."

Mens hastighed stadig er en prioritet, biologiske systemer ofrer lidt ved at finjustere fejlkorrektion. Grafer produceret af Rice-beregningerne viser, at når proteinreplikation er begrænset med kun et procentpoint eller to under maksimal hastighed, nøjagtigheden forbliver høj, og energibesparelserne er betydelige.

"Det er måske ikke så overraskende, at nøjagtighed ikke er den eneste bekymring for systemet, " sagde Banerjee. "Det fascinerende er, hvordan systemerne optimerer deres ydeevne ved at finjustere disse tilsyneladende modsatte mål, mens de tager sig af de energiske omkostninger."

Begrebet hastighed versus nøjagtighed er allerede blevet udforsket i et meget anderledes system hos Rice gennem arbejde af datalog Krishna Palem, som skabte mikroprocessorer, der øger deres effektivitet ved at tillade små ufuldkommenheder i deres beregninger.

"Det giver lige så meget mening for biologi, som det gør for teknik, " sagde Igoshin. "Når du er præcis nok, du holder op med at optimere."