Esta imagem é uma representação simplificada da paisagem clássica do fitness. Se ocorrer uma mutação, o organismo normalmente cairá do topo do pico para a vala, perdendo a aptidão e provavelmente não sobrevivendo ou se reproduzindo. Crédito:OIST
O que fundamentalmente diferencia um ser humano de todas as outras criaturas vivas se resume a diferenças nas sequências de DNA – um conjunto de moléculas herdadas geneticamente encontradas em todas as células de todos os organismos. Essas diferenças se acumularam ao longo de milhões de anos, principalmente por meio de mutações aleatórias – basicamente erros na forma como o DNA foi copiado. A maioria dessas mutações afeta negativamente o organismo e provavelmente resultará em sua morte antes de ter a chance de se reproduzir. No entanto, alguns irão impactar positivamente ou de forma neutra o organismo e se espalhar pela população. Esses erros nas sequências de DNA resultaram na diversidade de vida que vemos ao redor do mundo hoje. Mas muitos aspectos de como essas mutações podem aumentar a aptidão permanecem mal compreendidos.
"Conseguimos mostrar experimentalmente, pela primeira vez, um conceito sobre mutação e evolução que antes era apenas teoricamente predicado", disse o professor Yohei Yokobayashi, que lidera a Unidade de Engenharia e Química de Ácidos Nucleicos do Instituto de Ciências de Okinawa. e Universidade de Pós-Graduação em Tecnologia (OIST). "Chama-se uma rede neutra e acredita-se que seja vital para aumentar a diversidade de uma população". Esta pesquisa foi publicada em
Nature Communications .
Os genes, compostos de pares de bases de DNA, contêm as instruções necessárias para criar proteínas e levam ao cuidado e manutenção adequados de uma célula. Para que as instruções sejam executadas, o DNA deve primeiro ser transcrito em RNA. Assim, o RNA é como um reflexo do DNA.
Existem quatro pares de bases padrão para RNA e DNA. Para RNA, estes são A, G, C e U. O Prof. Yokobayashi explicou o conceito de uma rede neutra dando um exemplo de uma sequência simplificada de bases de RNA.
"Digamos, a sequência de RNA AAAAAAA se transforma em AAAUAAA, que então se transforma em GAAUAAA. A primeira variante está conectada à segunda, que está conectada à terceira por apenas uma única mutação. Se essas mutações mantiverem a mesma aptidão, o organismo pode sobreviver, e a mutação pode ser herdada por gerações futuras. Isso aumenta a diversidade geral, e a diversidade é essencial para uma espécie se adaptar às mudanças no ambiente."
Esta imagem é uma representação simplificada de uma paisagem de fitness quando há uma rede neutra. Quando há uma mutação, o fitness é mantido. Crédito:OIST
Uma rede neutra é toda uma série de sequências de base como esta (embora muito mais longa), onde cada nova sequência, diferindo apenas por uma base, tem aproximadamente a mesma aptidão que a anterior e a posterior. Os cientistas suspeitam de sua existência há algum tempo, mas são muito difíceis de provar experimentalmente. Originalmente, foi previsto que todos os espaços de sequência de RNA deveriam ter a possibilidade de abrigar uma grande rede neutra, mas ninguém jamais encontrou essas redes neutras de grande escala na prática.
Neste estudo, os pesquisadores analisaram um tipo de RNA chamado ribozima ligase, que já havia sido sintetizado, mas não era conhecido por constituir uma rede neutra. Eles escolheram esta ribozima porque sua função é conectar ou ligar dois pedaços de RNA juntos. Esse papel tem implicações importantes para a origem da vida, pois é vital para a autorreplicação.
A ribozima inteira tem cerca de 80 pares de bases, mas os pesquisadores se concentraram em uma área de 35 pares de bases que é importante para a função da ribozima e, portanto, para medir sua aptidão geral.
Por meio do design de sequência computacional auxiliado por um algoritmo evolutivo e aprendizado profundo, os cientistas projetaram muitos mutantes dessa ribozima e determinaram experimentalmente sua adequação. Eles acabaram testando mais de 120.000 variantes e conseguiram aumentar a fração de variantes neutras na população projetada de cerca de 10% para quase 90%.
Eles então escolheram uma das variantes que identificaram. Isso diferia da ribozima original por 16 mutações. Eles rastrearam todos os diferentes caminhos que poderiam ter sido tomados para ir da ribozima original para a nova variante, uma mutação de cada vez por 16 etapas, e encontraram 65.536 variantes diferentes, das quais 60% eram funcionais.
As mutações devem manter um nível de aptidão semelhante ao anterior e posterior para que a diversidade aumente. Se a mutação impactar negativamente a variante, o caminho para alcançar outras variantes não estará acessível. A imagem acima mostra uma sequência curta e as mutações que vêm dela. Como pode ser visto, ou as mutações mantêm o mesmo nível de aptidão que a anterior e passam a formar novos mutantes, ou são de menor nível de aptidão e morrem. Observe que a sequência é apenas um exemplo e não se relaciona especificamente com esta pesquisa. Crédito:OIST
Os pesquisadores então analisaram os caminhos que continham apenas mutações funcionais e descobriram que 10% dos caminhos eram acessíveis.
"Isso é muito alto", disse Ph.D. candidato e primeiro autor, Rachapun Rotrattanadumrong. "Outros trabalhos experimentais nunca encontraram um número tão grande de caminhos acessíveis entre duas variantes."
Os pesquisadores enfatizaram que essa evidência experimental de uma rede neutra mostrou que é possível que redes neutras se formem em um espaço de sequência de RNA, embora não tão extensivamente quanto o trabalho teórico os faria acreditar. Outra questão interessante pode envolver observar quais propriedades são necessárias para que esse tipo de rede se forme.
"Este trabalho permitirá que as pessoas testem experimentalmente muitas hipóteses", continuou Rotrattanadumrong. "Fornecemos o primeiro conjunto de dados experimental de uma rede neutra. Isso permitirá que os pesquisadores respondam a perguntas sobre como o RNA evoluiu e continua a evoluir."
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