Оптимизация для самовоспроизводства может объяснить загадочные особенности рибосомы

Оптимизация для самовоспроизводства может объяснить ключевые особенности рибосом — клеточных «фабрик» по производству белков. К такому выводу пришли исследователи из Гарвардской медицинской школы, опубликовавшие статью в Nature 20 июля.

В новом исследовании команда под руководством Йохана Паульссона, профессора системной биологии, математически показала, что структура рибосомы идеально приспособлена для максимально быстрого производства новых рибосом, что необходимо для эффективного роста и деления клетки.

Теоретические предсказания работы точно отражают наблюдаемые крупномасштабные особенности рибосом. Они объясняют, почему рибосомы состоят из необычно большого числа мелких белков примерно одинакового размера и нескольких цепей РНК, сильно различающихся по длине. Это даёт новое понимание эволюции исключительной молекулярной машины.

Загадочные особенности

Хотя учёные выяснили, как рибосомы превращают генетическую информацию в белки с атомарной точностью, преимущества некоторых их крупномасштабных черт оставались неясными.

Рибосомы состоят из загадочно большого числа различных структурных белков — от 55 до 80 в зависимости от типа организма. Эти белки не только многочисленны, но и необычно коротки и однородны по длине. Также рибосомы содержат две-три цепи РНК, на которые приходится до 70% их общей массы.

Новый взгляд

Исследователи решили взглянуть на рибосому под другим углом. Прорыв произошёл, когда они перестали рассматривать её как машину для производства белков, а увидели в ней продукт процесса белкового производства.

Для деления клетке необходимы два полных набора рибосом. Скорость, с которой рибосомы могут создавать сами себя, задаёт жёсткий предел скорости клеточного деления. Учёные создали математические модели, чтобы выяснить, как должны выглядеть черты рибосомы, если основной движущей силой её эволюции была скорость.

Результаты моделирования

• Множество мелких белков: Расчёт показал, что распределение задачи по созданию новой рибосомы между многими рибосомами (каждая делает небольшую часть конечного продукта) может увеличить скорость производства до 30%. Это происходит потому, что каждая новая рибосома сразу начинает помогать создавать другие, ускоряя процесс.
• Оптимальные параметры: Для максимальной эффективности самовоспроизводства модель предсказала, что рибосома должна состоять из 40–80 белков. Каждый из этих белков должен быть примерно в три раза меньше среднего клеточного белка и все они должны быть схожего размера.
• Преимущество РНК: Анализ показал, что чем больше РНК содержит рибосома, тем быстрее её можно произвести. Клетки синтезируют рибосомальную РНК гораздо быстрее, чем белок. Поэтому, даже если РНК-ферменты менее эффективны, чем белковые, у рибосомы есть огромное давление в сторону использования как можно большего количества РНК для максимизации скорости самовоспроизводства.

Теория и реальность

Предсказания модели точно соответствуют наблюдаемым в природе данным:

• Самые быстрорастущие организмы (например, бактерии) имеют самые короткие рибосомальные белки и наибольшее количество рибосомальной РНК.
• На противоположном конце спектра — рибосомы митохондрий («энергостанций» эукариотических клеток). Они не производят сами себя, и на них не действует давление скорости. Соответственно, они состоят из более крупных белков и гораздо меньшего количества РНК по сравнению с клеточными рибосомами.

Необычные черты рибосомы, таким образом, отражают дополнительный уровень функциональной оптимизации, действующий на коллективные свойства её частей, а не являются просто эволюционными реликтами.