Открыт фундаментальный предел эволюции генетического кода

Исследование, проведённое в Институте биомедицинских исследований Барселоны (IRB Barcelona), объясняет, почему рост генетического кода остановился 3 миллиарда лет назад. Это связано со структурой транспортных РНК (тРНК) — ключевых молекул в трансляции генов в белки. Генетический код ограничен 20 аминокислотами — строительными блоками белков — максимальным числом, предотвращающим систематические мутации, фатальные для жизни. Открытие может найти применение в синтетической биологии.

В журнале Science Advances команда биологов под руководством исследователя ICREA Льюиса Рибаса де Пупланы (IRB Barcelona) в сотрудничестве с Фёдором А. Кондрашовым (Центр геномной регуляции, CRG) и Модесто Ороско (IRB Barcelona) продемонстрировала, что генетический код эволюционировал, чтобы включить максимум 20 аминокислот, и не смог расти дальше из-за функционального ограничения молекул тРНК.

Эта остановка в увеличении сложности жизни произошла более 3 миллиардов лет назад, до раздельной эволюции бактерий, эукариот и архей, поскольку все организмы используют один и тот же код для производства белков из генетической информации.

Ограничение, наложенное формой

Машинерия, переводящая гены в белки, не способна распознать более 20 аминокислот, так как это привело бы к их путанице, постоянным мутациям в белках и ошибочной трансляции генетической информации «с катастрофическими последствиями», по словам Рибаса.

Насыщение генетического кода имеет своё происхождение в тРНК. Однако полость рибосомы, в которую должны помещаться тРНК, означает, что эти молекулы должны принимать L-образную форму, и между ними существует очень мало возможностей для вариаций.

«Системе было бы выгодно создавать новые аминокислоты... но наступил момент, когда Природа не смогла создать новые тРНК, достаточно отличающиеся от уже существующих, без возникновения проблемы с идентификацией правильной аминокислоты. И это произошло, когда было достигнуто 20 аминокислот», — объясняет Рибас.

Применение в синтетической биологии

Одна из целей синтетической биологии — увеличить генетический код и модифицировать его для создания белков с разными аминокислотами с целью получения новых функций.

«Наша работа демонстрирует, что конфликт идентичности между синтетическими тРНК, созданными в лаборатории, и существующими тРНК необходимо избегать, если мы хотим достичь более эффективных биотехнологических систем», — заключает исследователь.