Reconstrução de Enzima de Dois Bilhões de Anos Resolve um Mistério de Longa Data

Biólogos moleculares e cientistas de bioinformática conduziram um trabalho investigativo para alcançar esse feito

A equipe de pesquisa, liderada pelos professores Mario Mörl e Sonja Prohaska, concentrou-se em enzimas chamadas tRNA nucleotidiltransferases, que conectam três blocos de construção de nucleotídeos na sequência C-C-A a pequenos RNAs (RNAs de transferência) nas células. Esses RNAs são subsequentemente usados ​​para fornecer aminoácidos para a síntese de proteínas. Utilizando reconstruções filogenéticas, o grupo reconstruiu um candidato a uma enzima ancestral que existia em bactérias cerca de 2 bilhões de anos antes e o comparou a uma enzima bacteriana moderna.

Eles descobriram que ambas as enzimas funcionam com precisão comparável, mas têm diferenças aparentes em suas respostas. Anteriormente, os pesquisadores não conseguiam entender por que as enzimas modernas frequentemente suspendiam sua atividade. No entanto, essa pesquisa revelou que essa tendência é uma vantagem evolutiva, que intrigou os bioquímicos por décadas.

A enzima ancestral é processiva, ou seja, funciona sem interrupção, mas remove blocos de construção de nucleotídeos que já foram adicionados corretamente de vez em quando. Os resultados mostram que muito pode ser aprendido sobre a evolução e as propriedades das enzimas modernas a partir de reconstruções enzimáticas e que várias questões só podem ser respondidas por meio da interação entre bioinformática e bioquímica – num vaivém entre cálculos de computador e experimentos de laboratório.

Remexer no passado traçando relacionamentos

Usando sequências de genes, árvores filogenéticas evolutivas também podem ser produzidas de bactérias. A partir da ampla diversidade atual de organismos em uma árvore de espécies, o curso evolucionário de genes individuais pode ser reconstruído ao longo de relacionamentos e ramificações e meticulosamente rastreado até uma origem comum.

A reconstrução é um processo de três etapas. Bancos de dados são explorados para combinar enzimas modernas, a fim de poder analisar a sequência de blocos de construção de aminoácidos. As sequências podem ser utilizadas posteriormente para determinar como deveria ter sido a sequência original. A sequência do gene correspondente que codifica a enzima antiga é então introduzida em bactérias de laboratório para garantir que elas desenvolvam a proteína desejada. A enzima pode então ser analisada para identificar suas propriedades e compará-la com as enzimas modernas. “Quando chegou a notícia do laboratório de que a enzima reconstruída realiza a adição de C-C-A e o faz mesmo em uma faixa de temperatura mais ampla do que as enzimas atuais, esse foi o grande avanço”, lembra Sonja Prohaska.

Otimização evolutiva: Intervalos na atividade aumentam a eficiência

Como os organismos, as enzimas são mais otimizadas através da evolução. O trabalho (catálise) realizado por uma enzima geralmente é mais rápido e melhor quanto mais forte ela poder ligar seu substrato. A enzima ancestral reconstruída faz exatamente isso. Ele se agarra ao substrato, o tRNA, e conecta os 3 nucleotídeos C-C-A um após o outro sem se soltar. Por outro lado, as nucleotidiltransferases de tRNA modernas são distributivas, ou seja, trabalham em estágios com pausas durante as quais liberam repetidamente seu substrato. No entanto, eles são mais eficientes e mais rápidos do que seus predecessores ancestrais. Isso intrigou os cientistas.

Por que as enzimas modernas continuam liberando seu substrato? A explicação está no fenômeno da reação reversa, em que os nucleotídeos incorporados são removidos novamente pela enzima. Enquanto a forte ligação da enzima ancestral ao substrato leva à remoção subsequente, a reação reversa nas enzimas contemporâneas é quase completamente evitada pela liberação do substrato. Isso permite que eles trabalhem com mais eficiência do que seus precursores.

“Finalmente conseguimos explicar por que as modernas nucleotidiltransferases de tRNA funcionam de forma tão eficaz, apesar de sua natureza distributiva”, diz Mario Mörl. “A descoberta nos pegou de surpresa no grupo. Não prevíamos nada parecido com isso. Tivemos a pergunta há 20 anos e podemos finalmente respondê-la usando métodos de reconstrução bioinformática. Esta estreita cooperação entre bioinformática e bioquímica existe em Leipzig há vários anos. Não foi a primeira vez que provou ser uma grande vantagem para ambos os lados.”

Leia o artigo original em Scitech Daily.

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