Cientistas da Universidade de Oregon teorizaram que poderiam manipular uma mutação de proteína por vez e prever sua evolução. Eles procuraram provar isso. E falhou.

Eles pensam, Contudo, que encontraram uma verdade fundamental subjacente à imprevisibilidade em um sistema biológico. Limitações físicas básicas tornam a incerteza a norma, eles relataram em um artigo publicado online em 23 de outubro no Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Embora tenhamos obtido um resultado negativo surpreendente, fomos capazes de dizer o porquê, "disse Michael J. Harms, professor do Departamento de Química e Bioquímica da UO e cientista do Instituto de Biologia Molecular. "Isso é positivo. Nosso estudo simples fornece a confirmação do que muitas pessoas na área observaram repetidamente - imprevisibilidade. Parece que é universal."

A pesquisa foi um assunto digital, feito com simulações de computador projetadas pelo aluno de doutorado da UO Zachary R. Sailer. Ele e Harms criaram uma proteína de rede simples, usando uma abordagem criada anteriormente no laboratório Harms, com uma sequência aleatória de 12 aminoácidos. Eles então executaram simulações evolutivas para otimizar a estabilidade, uma propriedade física da proteína.

O objetivo era usar os efeitos de todas as 228 mutações conhecidas por estarem associadas à proteína inicial para prever essas trajetórias simuladas:qual mutação ocorreria, quando, hora extra. A capacidade de projetar à frente diminuiu rapidamente após as duas primeiras mutações. Depois disso, as trajetórias antecipadas se extraviaram em meio a um número crescente de probabilidades de redirecionamento.

"A qualidade das suas informações realmente decai com o tempo, "Sailer disse." À medida que as mutações se acumulam, os efeitos das mutações que você mediu começam a mudar de forma que você não pode prever para onde está indo. "

Em seu jornal, Sailer e Harms sugerem que a física, particularmente a termodinâmica, está em jogo. Cada mutação altera a proteína em uma pequena, mas de maneira não linear. Isso significa que o efeito de cada mutação depende de todas as mutações que ocorreram antes.

"Acho que o que mostramos, fundamentalmente, é que mesmo que você saiba muito sobre um sistema, sobre uma proteína, você não pode prever como ele evolui por causa da física do sistema, "Harms disse." Existem regras físicas que limitam a evolução e sua previsibilidade. "

Como as proteínas evoluem é uma questão fundamental na biologia evolutiva, de uma perspectiva filosófica, para aprender mais sobre a maquinaria dos sistemas biológicos, e por pistas que podem levar a drogas melhores ou melhores.

"Praticamente, "Harms disse, "nossa pesquisa pode nos ajudar a aprender como prevenir a evolução da resistência aos antibióticos nas bactérias." Quase todas as infecções bacterianas estão desenvolvendo resistência aos antibióticos, criando uma importante preocupação de saúde pública em todo o mundo.

"Em vez de estudar os efeitos de todas as mutações individuais, "Sailer acrescentou, "talvez devêssemos estudar combinações aleatórias de muitas mutações. Tal abordagem pode nos ajudar a prever a evolução da resistência."

O trabalho está em andamento no laboratório Harms para testar essa possibilidade em proteínas reais. "Estamos construindo ferramentas computacionais que nos permitem analisar conjuntos de dados de resistência a antibióticos, e estamos recebendo dicas de que uma abordagem combinatória funciona, "Harms disse." É mais complicado do que estudar mutações individuais, mas nosso trabalho mostra que é improvável que a abordagem individual funcione. "