Kod genetyczny lepszy niż dotychczasowy? Da się zrobić!

Czy aminokwasy w standardowym kodzie genetycznym są zakodowane optymalnie? Niekoniecznie! Badania wskazują, że dałoby się zakodować je tak, aby ewentualna pomyłka w odczytywaniu sekwencji kodującej białko była dla organizmu mniejszym problemem niż jest dotychczas – opowiada genetyk dr hab. Paweł Mackiewicz.

Niewykluczone, że kiedyś uda się zaprojektować organizmy o zupełnie nowych cechach, produkujące białka o ciekawych właściwościach – ze zmodyfikowanymi aminokwasami. Aby jednak powołać do istnienia takie organizmy syntetyczne, potrzebna jest spora wiedza podstawowa – chociażby o tym, jak można skutecznie i bezpiecznie dla organizmu kodować aminokwasy w kodzie genetycznym.

Takie badania prowadzą m.in. naukowcy z Wrocławia z Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego. „Za pomocą programów komputerowych szukamy najlepszych i najgorszych sposobów kodowania aminokwasów. Sprawdzamy, jak ma się do nich standardowy kod genetyczny powszechnie używany w prawie wszystkich współczesnych organizmach. Według naszych analiz, standardowy kod genetyczny jest całkiem niezły, ale jednak nie najlepszy z możliwych” – opowiada w rozmowie z PAP dr hab. Paweł Mackiewicz z Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Wrocławskiego.

JAK TO WSZYSTKO JEST ZAKODOWANE?

Podstawowym budulcem DNA są połączone kolejno ze sobą nukleotydy opisywane skrótowo czterema literami: A (adenina), C (cytozyna), G (guanina) i T (tymina). Litery te tworzą w sekwencjach kodujących białko (genach) trzyliterowe „słowa” zwane kodonami. Podczas tworzenia białka do kodonów przypisywane są poszczególne aminokwasy. A aminokwasy po połączeniu się ze sobą tworzą białka (trzy specjalne kodony oznaczają, że należy zakończyć ten proces tworzenia białek). Kod genetyczny jest właśnie takim przepisem tłumaczącym informację zawartą w DNA na kodowane białka – przyporządkowaniem poszczególnych kodonów do aminokwasów i sygnałów zatrzymania syntezy białka.

Aminokwasów jest w naszych organizmach 20, a kodonów aż 64. „Liczba kombinacji – możliwości przypisania tych aminokwasów do kodonów jest ogromna. Takich możliwości jest więcej niż wszystkich atomów wodoru w naszym obserwowalnym Wszechświecie. Liczba tych teoretycznych kodów wyraża się liczbą 1 z 84 zerami!” – mówi dr hab. Paweł Mackiewicz.

Okazuje się jednak, że sposób kodowania poszczególnych aminokwasów nie jest całkiem przypadkowy. Aminokwasy są tak przypisane do kodonów, aby minimalizować konsekwencje mutacji w DNA i niedokładności podczas syntezy białek. Pomyłka przy tworzeniu białek nie musi się wcale skończyć niefunkcjonalnym produktem.

BŁĄD? ALEŻ SKĄD!

Jest kilka mechanizmów łagodzenia pomyłek. Ponieważ kodonów jest więcej niż aminokwasów, niektóre aminokwasy kodowane są przez więcej niż jeden kodon. I tak, np. jeden z aminokwasów – prolina – jest kodowana przez cztery kodony: CCA, CCC, CCG lub CCT. W tym przypadku, jeśli nastąpi pomyłka i ostatnia litera będzie przypadkiem zastąpiona inną lub odczytana jako inna – nic się nie stanie. Prolina i tak zostanie wstawiona do właściwego miejsca w tworzonym białku.

Są i inne ciekawe zależności. Na przykład aminokwasy o zbliżonych cechach różnią się małą liczbą nukleotydów pomiędzy kodonami. „Np. kwas asparaginowy i glutaminowy to aminokwasy kwaśne, o podobnych właściwościach. Kwas asparaginowy kodowany jest przez kodon GAC, a glutaminowy m.in. przez GAA. A zatem ich kodony różnią się tylko w trzeciej pozycji. Jeśli nastąpi mutacja, która zmieni nukleotyd C na A, to zamiast kwasu asparaginowego powstanie kwas glutaminowy. Ponieważ te aminokwasy mają podobne właściwości, to jest duża szansa, że powstałe białko dalej będzie pełnić podobną funkcję” – opowiada dr Mackiewicz.

Naukowcy próbują wyjaśnić, na jakiej zasadzie aminokwasy zostały przypisane do kodonów.

KODOWAĆ TAK, BY MINIMALIZOWAĆ BŁĘDY

Jedna z teorii głosi, że ewolucja faworyzowała te organizmy, u których aminokwasy zostały przypisane do kodonów tak, że błąd przy tworzeniu białek nie prowadził do dramatycznych konsekwencji.

To właśnie dlatego badacze z Wrocławia sprawdzali specjalnymi algorytmami ewolucyjnymi (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27555085), czy można zakodować aminokwasy tak, aby jeszcze lepiej zminimalizować straty spowodowane pomyłkami. „Jest to możliwe. Znaleźliśmy lepsze możliwości kodowania aminokwasów. Standardowy kod genetyczny nie jest pod tym względem idealny, ale i tak spisuje się nieźle. Bliżej mu do najlepszych kodów niż do tych najgorszych” – mówi genetyk.

KOD GENETYCZNY SIĘ ROZRASTAŁ

Jest jeszcze inne wytłumaczenie, jak następowało przypisywanie aminokwasów do kodonów. Ta koncepcja zakłada, że we wcześniejszych etapach istnienia życia istniało zaledwie kilka aminokwasów – takich, które mogą powstać w wyniku prostych przemian chemicznych niewymagających organizmów żywych. A zatem kod genetyczny kodował na początku mniej aminokwasów. W toku ewolucji, wraz z rozwojem organizmów i ich procesów metabolicznych, z już dostępnych aminokwasów były syntetyzowane kolejne. Przejmowały one kodony aminokwasu, z którego powstały. Takie zależności też istnieją w kodzie genetycznym.

„Właśnie dlatego, kiedy patrzy się na standardowy kod genetyczny, można się doszukać ciekawych prawidłowości. To nie są przypadkowe przypisania” – uważa naukowiec.

źródło: www.naukawpolsce.pap.pl

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *