Todas as coisas vivas usam o código genético para "traduzir" a informação genética baseada no DNA em proteínas, que são as principais moléculas de trabalho nas células. Exatamente como o complexo processo de tradução surgiu nos primeiros estágios da vida na Terra, há mais de quatro bilhões de anos, há muito tempo é misterioso, mas dois biólogos teóricos já fizeram um avanço significativo na resolução desse mistério.

Charles Carter, Ph.D., professor de bioquímica e biofísica na Escola de Medicina da UNC, e Peter Wills, Ph.D., um professor associado de bioquímica da Universidade de Auckland, usaram métodos estatísticos avançados para analisar como as moléculas translacionais modernas se encaixam para realizar seu trabalho - ligando sequências curtas de informações genéticas aos blocos de construção de proteínas que elas codificam.

A análise dos cientistas, publicado em Pesquisa de ácidos nucléicos , revela regras anteriormente ocultas pelas quais as principais moléculas de tradução interagem hoje. A pesquisa sugere como os ancestrais muito mais simples dessas moléculas começaram a trabalhar juntos no início da vida.

"Acho que esclarecemos as regras subjacentes e a história evolutiva do código genético, "Carter disse." Isso não foi resolvido por 60 anos. "

Testamentos adicionados, "Os pares de padrões moleculares que identificamos podem ser os primeiros que a natureza usou para transferir informações de uma forma para outra nos organismos vivos."

As descobertas centram-se em uma molécula em forma de folha de trevo chamada RNA de transferência (tRNA), um jogador-chave na tradução. Um tRNA é projetado para transportar um bloco de construção de proteína simples, conhecido como um aminoácido, na linha de montagem da produção de proteínas em pequenas fábricas moleculares chamadas ribossomos. Quando uma cópia ou "transcrição" de um gene chamado RNA mensageiro (mRNA) emerge do núcleo da célula e entra em um ribossomo, está ligado a tRNAs que transportam suas cargas de aminoácidos.

O mRNA é essencialmente uma série de "letras" genéticas que explicam as instruções de produção de proteínas, e cada tRNA reconhece uma sequência específica de três letras no mRNA. Essa sequência é chamada de "códon". À medida que o tRNA se liga ao códon, o ribossomo liga seu aminoácido ao aminoácido que veio antes dele, alongamento do peptídeo em crescimento. Quando completo, a cadeia de aminoácidos é liberada como uma proteína recém-nascida.

As proteínas em humanos e na maioria das outras formas de vida são feitas de 20 aminoácidos diferentes. Assim, existem 20 tipos distintos de moléculas de tRNA, cada um capaz de se ligar a um aminoácido particular. Em parceria com esses 20 tRNAs estão 20 enzimas auxiliares correspondentes conhecidas como sintetases (aminoacil-tRNA sintetases), cujo trabalho é carregar seus tRNAs parceiros com o aminoácido correto.

"Você pode pensar nessas 20 sintetases e 20 tRNAs coletivamente como um computador molecular que a evolução projetou para fazer a tradução gene para proteína acontecer, "Carter disse.

Os biólogos há muito se intrigam com esse computador molecular e com o quebra-cabeça de como ele se originou há bilhões de anos. Nos últimos anos, Carter e Wills fizeram desse quebra-cabeça seu principal foco de pesquisa. Eles mostraram, por exemplo, como as 20 sintetases, que existem em duas classes estruturalmente distintas de 10 sintetases, provavelmente surgiu de apenas dois mais simples, enzimas ancestrais.

Uma divisão de classe semelhante existe para aminoácidos, e Carter e Wills argumentaram que a mesma divisão de classes deve se aplicar aos tRNAs. Em outras palavras, eles propõem que no amanhecer da vida na Terra, organismos continham apenas dois tipos de tRNA, que teria funcionado com dois tipos de sintetases para realizar a tradução de gene para proteína usando apenas dois tipos diferentes de aminoácidos.

A ideia é que ao longo de eras esse sistema se tornou cada vez mais específico, como cada um dos tRNAs originais, sintetases, e os aminoácidos foram aumentados ou refinados por novas variantes até que houvesse classes distintas de 10 no lugar de cada um dos dois tRNAs originais, sintetases, e aminoácidos.

Em seu estudo mais recente, Carter e Wills examinaram tRNAs modernos em busca de evidências dessa dualidade antiga. Para fazer isso, eles analisaram a parte superior da molécula de tRNA, conhecido como a haste aceitadora, onde as sintetases parceiras se ligam. Sua análise mostrou que apenas três bases de RNA, ou letras, na parte superior da haste aceitadora carregam um código de outra forma oculto especificando regras que dividem tRNAs em duas classes - correspondendo exatamente às duas classes de sintetases. "São simplesmente as combinações dessas três bases que determinam qual classe de sintetase se liga a cada tRNA , "Carter disse.

O estudo encontrou, por acaso, evidências para outra proposta sobre tRNAs. Cada tRNA moderno tem em sua extremidade inferior um "anticódon" que usa para reconhecer e aderir a um códon complementar em um mRNA. O anticódon está relativamente distante do local de ligação da sintetase, mas os cientistas, desde o início de 1990, especularam que os tRNAs já foram muito menores, combinando as regiões de ligação do anticódon e da sintetase em um. A análise de Wills e Carter mostra que as regras associadas a uma das três bases determinantes de classe - base número 2 na molécula de tRNA geral - efetivamente implicam em um traço do anticódon em um antigo, versão truncada do tRNA.

“Esta é uma confirmação completamente inesperada de uma hipótese que existe há quase 30 anos, "Carter disse.

Essas descobertas reforçam o argumento de que o sistema de tradução original tinha apenas dois tRNAs primitivos, correspondendo a duas sintetases e dois tipos de aminoácidos. À medida que este sistema evoluiu para reconhecer e incorporar novos aminoácidos, novas combinações de bases de tRNA na região de ligação da sintetase teriam surgido para acompanhar a complexidade crescente - mas de uma forma que deixasse traços detectáveis ​​do arranjo original.

"Essas três bases definidoras de classes em tRNAs contemporâneos são como um manuscrito medieval cujos textos originais foram apagados e substituídos por textos mais novos, "Carter disse.

As descobertas estreitam as possibilidades das origens da codificação genética. Além disso, eles estreitam o campo de experimentos futuros que os cientistas podem conduzir para reconstruir as primeiras versões do sistema translacional no laboratório - e talvez até mesmo fazer este sistema simples evoluir para mais complexo, formas modernas do mesmo sistema de tradução. Isso mostraria ainda como a vida evoluiu da mais simples das moléculas para células e organismos complexos.