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Dois mecanismos revisam a tradução do DNA. Faça disso três.

Por Evolution News 

[ Obs: Titulo e texto adaptados a partir do original – O artigo possui links no original em inglês – Imagem do EnV com seus devidos créditos ]

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A própria ideia de que as células revisam suas informações genéticas torna o design inteligente intuitivamente óbvio. Não se revisa jargão (linguagem sem nexo). Se as células tivessem pavimentado conjuntos aleatórios de blocos, não importaria realmente a ordem que em eles estivessem reunidos. Sabemos, é claro, que a sequência é importante: a maioria das mutações causam doença ou morte. Revisão é prova por excelência que a informação genética representa a informação real, do tipo encontrada nos livros e nos softwares. Defensores do DI não acham surpreendente, portanto, que as células vão muito longe para proteger suas informações genéticas.

O “controle de qualidade” celular tem sido reconhecido na literatura há algum tempo. De fato, o Prêmio Nobel de Química em 2015 foi para três cientistas que descobriram mecanismos de reparo do DNA. As células inspecionam e corrigem suas macromoléculas informacionais em todas as fases: na transcrição, na tradução e durante a modificação pós-tradução.

Existem máquinas moleculares em movimento inspecionando outras máquinas em trabalho na célula. Elas reconhecem as proteínas dobradas e as marcam para degradação. E quando a célula se divide, as máquinas moleculares verificam cada letra quando as cadeias do DNA são duplicadas. As células estão em atividade de “controle de qualidade”.

Revisão, no entanto, é um passo além da reparação. Uma célula pode reparar uma cadeia quebrada de DNA, sem levar em conta a sequência de “letras” nucleotídicas. A revisão real deve garantir a precisão da própria sequência. A célula verifica erros de digitação? Absolutamente.

Um artigo na Proceedings of the National Academy of Sciences compartilhou novas evidências que suportam a questão do design. Pesquisadores da Universidade de Uppsala, na Suécia, encontraram não apenas uma, mas duas etapas de revisão independente no ribossomo além da que já era conhecida.

Elas ocorrem onde transcritos de RNA mensageiro são traduzidos em proteínas. O título diz que: “Duas etapas de revisão amplificam a precisão da tradução de códigos genéticos”. Aqui está a declaração sobre o significado da descoberta:

Descobrimos que dois passos de revisão amplificam a precisão da leitura do código genético, não um passo, como até agora se acreditava. Nós caracterizamos a base molecular de cada um destes passos, pavimentando o caminho para a análise estrutural em conjunto com a estrutura baseada em cálculos de energia livre padrão. Nosso trabalho destaca o papel essencial do fator de alongamento Tu para a tradução precisa do código genético, tanto na seleção inicial quanto na revisão. Nossos resultados têm implicações para a evolução da leitura eficiente e precisa do código genético através da revisão em vários passos, o que atenua os efeitos, doutra forma prejudiciais, ocorrido na compensação obrigatória entre eficiência e precisão na seleção do substrato feito por enzimas. [Enfase adicionada.]

Se você se lembra da animação dos passos de tradução em Unlocking the Mystery of Life (Desbloqueando o Mistério da Vida), lembre-se que os transcritos do RNA mensageiro (mRNA) são lidos em conjuntos de três letras (codons). Correspondendo aos codões de mRNA, estão as moléculas de RNA de transferência (tRNA), cada uma equipada com um “anticodon” correspondente numa extremidade e um aminoácido na outra extremidade (quando carregadas, são chamadas aminoacil-tRNAs ou aa-tRNAs). Como os codões e anticódons se emparelham em arquivo único dentro do ribossomo, os aminoácidos se fixam em arquivo único com ligações peptídicas.  A crescente cadeia polipeptídica irá se tornar uma proteína após a tradução ser completada.  Adicionalmente, as “chaperonas” moleculares asseguram que as cadeias polipeptídicas resultantes sejam dobradas corretamente em máquinas moleculares funcionais.

A equipe de Uppsala examinou o ribossomo para dar uma olhada no passo onde o tRNA encontra o mRNA. Eles sabiam que a seleção do tRNA correto era um primeiro passo crucial, inicialmente previsto por Linus Pauling sete décadas atrás. Quando a precisão medida na tradução mostrou-se realmente maior do que Pauling predisse, os biólogos moleculares suspeitaram que algum tipo de mecanismo de correção de erro deveria estar funcionando. Um mecanismo de revisão foi posteriormente encontrado no ribossomo. Mas como isso funciona? Podemos nos relacionar com revisores humanos, mas como as moléculas sem olhos são corrigidas no escuro dentro de um ribossomo?

A amplificação de precisão por revisão exige que o descarte de substrato seja conduzido por uma diminuição do potencial químico desde a entrada de um substrato até sua saída ao longo do caminho de revisão. Uma maneira de programar tal queda no potencial químico é acoplar o descarte de substratos por revisão a hidrólise de GTP ou ATP com alto potencial químico com o baixo potencial químico de seus produtos hidrolíticos.

Resumindo, a revisão precisa ser eficiente em termos de energia, mas não acontecerá sem o gasto de uma molécula rica em energia para empurrá-la. A reação deve favorecer a obtenção da molécula certa onde ela pertence.

Os bioquímicos sabiam que cada aa-tRNA teria de ser preparada para o seu papel através da ligação a um assistente chamada Fator  Elongation Tu (EF-Tu), mais uma molécula de combustível, GTP. Mas, depois desse passo, os autores encontraram outros dois:

Descobrimos que o ribossomo bacteriano utiliza dois passos de revisão seguindo a seleção inicial de RNAs de transferência (tRNAs) para manter uma elevada precisão da tradução do código genético. Isto significa que existem três passos de seleção para o reconhecimento de codões feito por aa-tRNAs. Em primeiro lugar, existe uma seleção inicial de codões por aa-tRNA no complexo ternário com o fator de alongamento Tu (EF-Tu) e GTP. Em segundo lugar, há revisão do aa-tRNA no complexo ternário com EF-Tu e PIB. Terceiro, há revisão de aa-tRNA na forma EF-Tu-independente, presumivelmente após a dissociação de EF-Tu · GDP do ribossomo (Figura 1).

Isto amplifica significativamente a precisão da tradução. “Embora já tenha sido reconhecido que a revisão em vários passos confere maior precisão e eficiência cinética em substrato-seletivo, via reações catalisadas por enzimas do que passo único de revisão”, dizem eles, “tem sido tomado como certo que existe apenas um único passo de revisão na seleção de tRNA no ribossomo tradutor”.

As novas descobertas lançam nova luz sobre os passos moleculares reais, necessários para a correção de alta precisão. E, embora seu trabalho tenha sido feito em bactérias, “sugerimos que os mecanismos de revisão em dois estágios funcionem não apenas em bactérias, mas também em eucariotos e, talvez, em todos os três reinos da vida”.

Como um evolucionista explica isso? No início do artigo, eles dizem: “Sugerimos que a revisão em vários passos na tradução de códigos genéticos tenha evoluído para neutralizar possíveis pontos potenciais de erro, na seleção inicial do(s) aa-tRNA(s) propenso(s) a erro(s) no complexo ternário com EF-Tu e GTP”.

Mas isso não pode ser verdade. É uma declaração teleológica. A seleção natural não pode “evoluir para” fazer nada. Logo depois no artigo, eles se concentram mais na questão, apresentando o enredo como um conto de fadas evolutivo: “Por que a Mãe Natureza evoluiu duas etapas de revisão na tradução de códigos genéticos?”.

A existência de dois passos distintos de revisão pode parecer surpreendente, porque a precisão da seleção inicial do codão pelo complexo ternário é normalmente notavelmente alta. Por conseguinte, sugerimos que a revisão em dois passos evoluiu para neutralizar os efeitos deletérios de um pequeno número de pontos de erro distintos para a seleção inicial do codão observada in vitro e in vivo.

Isso deve causar ainda mais tristeza para o neodarwinismo, porque mostra que a revisão de um único passo “normalmente é notavelmente alta”.  Em essência, a célula verifica a sua tradução, já precisa. Eles realmente usam a palavra “revendo” para descrever isso. Eles estimam que a revisão forneça um aumento de milhões de vezes em precisão, muito acima da modesta amplificação de revisão na gama dos trezentos, observada aqui.

Além da descoberta inesperada de duas etapas de revisão, o presente estudo identificou a base estrutural do primeiro passo EF-Tu-dependente e sugeriu características mecanicistas de ambas as etapas de revisão. Esses achados facilitarão a análise estrutural das etapas de revisão, junto com cálculos baseados na estrutura de suas energias livres padronizadas que codificam codões, para uma compreensão mais profunda da evolução da leitura precisa do código genético.

Outros Exemplos de Sistemas Redundantes na Célula.

Este não é o único caso de sistemas múltiplos e independentes na célula. Três pesquisadores em Massachusetts, também publicando na Proceedings of the National Academy of Sciences , descobriram mecanismos redundantes para reparar rupturas de cadeia dupla no DNA.  As duas vias, NHEJ e MMEJ, podem funcionar como sistemas primários e de backup. “É possível que haja redundância parcial entre as vias NHEJ e MMEJ, com MMEJ servindo como um backup e NHEJ sendo o principal mecanismo.” O caminho do backup contribui para a reparação de algumas rupturas duplas, mas não todas. Posts anteriores aqui no Evolution News apontaram redundância em sistemas biológicos, como este, afirmando que os “caminhos são organizados em uma rede entrelaçada, muitas vezes redundante, com arquitetura que está intimamente relacionada com a robustez do processamento de informação celular”. Outro artigo apontou que os cromossomos parecem ter um sítio de backup para centrômeros.

O que aprendemos nesses artigos combina bem com o que David Snoke disse em um podcast do ID the Future sobre a Biologia de Sistemas como a maneira do engenheiro de olhar a vida (para mais, veja isto de Casey Luskin). Engenheiros entendem conceitos como backups, redundância, dupla verificação e controle de qualidade. Eles percebem que há tradeoffs entre precisão e velocidade, assim, eles buscam aperfeiçoar os requisitos de projetos concorrentes.

Em vez da visão de baixo para cima do reducionista, o biólogo de sistemas toma a visão de cima para baixo: como todos os componentes funcionam juntos como um sistema? Na prática, diz ele, os biólogos de sistemas procuram entender os seres vivos como exemplos de sistemas otimizados, e também a “engenharia reversa” deles de maneiras inovadoras. Em ambos os contextos, o design inteligente – não a evolução darwiniana – é o conceito operacional que conduz a ciência.

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O código genético, recentemente descoberto, controla a sobrevivência bacteriana durante infecções.

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Por Phys.Org

[Obs: Texto adaptado – Esse artigo possui links, os links estão no original em inglês – Imagem do Phys.Org]

O código genético que permite às células armazenarem as informações necessárias para a vida é bem conhecido. Quatro nucleotídeos, abreviados A, C, G e T, soletram as sequências de DNA que codificam todas as proteínas que as células precisam.

Pesquisadores do MIT descobriram agora outra camada de controle que ajuda as células a desviarem rapidamente recursos em situações de emergência. Muitas bactérias, incluindo estirpes que causam tuberculose, usam esta estratégia para entrar em um estado semelhante à dormência, que lhes permitem sobreviverem em ambientes hostis quando privadas de oxigênio ou nutrientes. Para a tuberculose, as infecções pulmonares podem durar anos, antes de eventualmente “re-despertar” e causarem a doença novamente.

O que este estudo faz é revelar um sistema que as bactérias usam para fecharem-se e entrarem em um desses estados persistentes quando se estressam “, diz Peter Dedon, professor de Engenharia Biológica no MIT.

Dedon e seus colegas estudaram um tipo de bactéria conhecida como Mycobacterium bovis, uma das várias cepas bacterianas que podem causar tuberculose em seres humanos. Esta estirpe causa uma versão mais suave da doença do que a mais letal Mycobacterium tuberculosis e é utilizada em alguns países para a vacinação contra a tuberculose.

Segmentar esse sistema de controle genético recém-identificado poderia ajudar cientistas a desenvolverem novos antibióticos contra a tuberculose e outras doenças, diz Dedon, autor sênior de um artigo descrevendo as descobertas na edição de 11 de novembro da Nature CommunicationsYok Hian Chionh, um postdoc na Singapore-MIT Alliance para Pesquisa e Tecnologia (SMART), é o principal autor do artigo.

RESPOSTA RAPIDA

Dedon e colaboradores já demonstraram que tensões como a radiação ou produtos químicos tóxicos provocam células de levedura a ativarem um sistema que faz modificações químicas para transferir RNA (tRNA), que desvia as máquinas de construção de proteína da células de atividades de rotina para a ação de emergência.

No novo estudo, os pesquisadores investigaram como esse interruptor influencia as interações entre o tRNA e o RNA mensageiro (mRNA), que carrega instruções para a construção de proteínas do núcleo para estruturas celulares chamadas ribossomos. O código genético no mRNA é “lido” no ribossomo como uma série de sequências de três letras conhecidas como códons, cada uma das quais requerem um aminoácido específico (os blocos de construção das proteínas).

Esses aminoácidos são administrados ao ribossomo pelo tRNA. Como outros tipos de RNA, o tRNA consiste em uma sequência de quatro ribonucleósidos principais – A, G, C e U. (U em RNA substitui o T encontrado no DNA.) Cada molécula de tRNA tem um anticódon que corresponde a um codão de mRNA, assegurando que o aminoácido correto seja inserido na sequência da proteína. No entanto, muitos aminoácidos podem ser codificados por mais de um codão. Por exemplo, o aminoácido treonina pode ser codificado por ACU, ACC, ACA ou ACG. No total, o código genético tem 61 codões que correspondem a apenas 20 aminoácidos.

Uma vez que uma molécula de tRNA é fabricada, é alterada com dezenas de diferentes modificações químicas. Acredita-se que estas modificações influenciem a forma como o tRNA anticódon  liga-se fortemente ao codão de mRNA no ribossoma.

Neste estudo, Dedon e seus colegas descobriram que certas modificações de tRNA se elevaram  dramaticamente quando as bactérias foram privadas de oxigênio e pararam de crescer.

Uma dessas modificações foi encontrada no anticódon ACG–  treonina, de modo que os pesquisadores analisaram todo o genoma de Mycobacterium bovis em busca de genes que contêm altas percentagens desse codão ACG em comparação com os outros códons treonina. Eles descobriram que os genes com níveis elevados de ACG incluíam uma família conhecida como regulador DosR, que consiste em 48 genes que são necessários para que as células deixem de crescer e sobreviver em estado semelhante à dormência.

Quando falta oxigênio, estas células bacterianas começam a produzir grandes quantidades de proteínas reguladoras DosR, enquanto que a produção de proteínas a partir de genes contendo um dos outros codões para treonina, cai. As proteínas reguladoras DosR guiam a célula para um estado semelhante à dormência, desligando o metabolismo celular e interrompendo a divisão celular.

Os autores apresentam um exemplo impressionante da nova e emergente biologia profunda dos RNAs de transferência, que traduzem o código genético em todos os organismos vivos para criar proteínas“, diz Paul Schimmel, professor de biologia celular e molecular no Scripps Research Institute, que não estava envolvido na pesquisa. “Esta função há muito conhecida, foi vista de forma simples e direta por décadas e apresenta uma análise poderosa e abrangente para mostrar que há camadas e camadas, cada vez mais profundas, a essa função de tradução.

“CÓDIGO GENÉTICO ALTERNATIVO”

Os pesquisadores também mostraram que quando trocaram diferentes codões treonina para os locais genômicos onde ACG é geralmente encontrado, as células bacterianas não conseguiram entrar em um estado latente quando os níveis de oxigênio foram diminuídos. Porque fazer este interruptor de modificação de tRNA é fundamental para a capacidade das células bacterianas responderem ao estresse, as enzimas responsáveis por este interruptor poderiam produzir bons alvos para novos antibióticos , diz Dedon.

Dedon suspeita que outras famílias de genes, tais como aquelas necessárias para responderem à inanição ou para desenvolverem resistência aos fármacos, possam ser reguladas de forma semelhante por outras modificações de tRNA.

É realmente um código genético alternativo, no qual qualquer família de genes que é necessária para alterar um fenótipo celular é enriquecida com codões específicos” que correspondem a tRNAs modificados específicos, diz ele.

Os pesquisadores também têm visto este fenômeno em outras espécies, incluindo o parasita que causa a malária, e agora estão estudando em humanos.

 


 

Journal reference: Nature Communications 

Providenciado por: Massachusetts Institute of Technology

A complexa gramática da linguagem genômica. [Mas isso é Design Inteligente escancarado! – Jeph Simple]

Publicado pelo Science Daily.

Título do Science Daily: A complexa gramática da linguagem genômica. (Complex grammar of the genomic language)

 

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A “gramática” do código genético humano é mais complexa do que isso, até mesmo mais que idiomas (do mundo todo) construídos de forma muito mais elaborada ( que outros idiomas). Os resultados explicam por que o genoma humano é tão difícil de decifrar – e contribuem para um maior entendimento de como as diferenças genéticas afetam o risco de desenvolvimento de doenças a nível individual.

Um novo estudo do Instituto Karolinska na Suécia mostra que a “gramática” do código genético humano é mais complexa do que isso (ou seja, que nossa gramática), mesmo diante dos idiomas (do mundo todo) construídos de forma muito mais elaborada. Os resultados, publicados na revista Nature, explicam por que o genoma humano é tão difícil de decifrar – e contribui para um maior entendimento de como as diferenças genéticas afetam o risco de desenvolvimento de doenças a nível individual.

O genoma contém todas as informações necessárias para construir e manter um organismo, mas também mantém os detalhes de um indivíduo com risco de desenvolvimento de doenças comuns, tais como diabetes, doenças cardíacas e câncer“, diz o autor principal do estudo, Arttu Jolma, estudante de doutorado no Departamento de Biociências e Nutrição. “Se nós podemos melhorar a nossa capacidade de ler e compreender o genoma humano, assim também, seremos capazes de fazer melhor uso da informação genômica; que rapidamente se acumula em um grande número de doenças, para benefícios médicos.

A sequenciação do genoma humano em 2000 revelou como as 3 bilhões de letras  A, C, G e T, que compõem o genoma humano , são ordenadas. No entanto, sabendo apenas a ordem das letras não é suficiente para traduzir as descobertas da genômica em benefícios médicos; também é preciso entender o que as sequências de letras significam. Em outras palavras, é necessário identificar as “palavras” e “gramática” da língua do genoma.

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As células do nosso corpo têm genomas quase idênticos, mas que diferem um do outro devido a diferentes genes que estão ativos (expressos) em diferentes tipos de células. Cada gene tem uma região reguladora que contém as instruções de controlo, quando e onde o gene é expresso. Este código regulador do gene é lido por proteínas chamadas fatores de transcrição que se ligam ao “DNA words”  específico e, ou aumentam ou diminuem a expressão do gene associado.

Sob a supervisão do Professor Jussi Taipale, pesquisadores do Karolinska Institutet já identificaram a maioria das palavras de DNA reconhecidas por fatores de transcrição individuais. No entanto, tal como na linguagem humana natural, as palavras do DNA podem ser unidas para formarem palavras compostas, que são lidas por vários factores de transcrição. No entanto, o mecanismo pelo qual tais palavras compostas são lidas não foi analisado anteriormente. Por isso, em seu estudo recente na revista Nature, a equipe de Taipale examina as preferências de ligação dos pares de fatores de transcrição, e sistematicamente mapeia as palavras que se ligam no DNA composto.

A análise revela que a gramática do código genético é muito mais complexa que os mais complexos idiomas humanos. Em vez de simplesmente juntar duas palavras entre si por um espaço de exclusão, as palavras individuais que são unidas em palavras compostas de DNA são alteradas, levando a um grande número de palavras completamente novas.

“Nosso estudo identificou muitas dessas palavras, aumentando a compreensão de como os genes são regulados, tanto no seu desenvolvimento normal quanto no do câncer”, diz Arttu Jolma. “Os resultados abrem caminho para decifrar o código genético que controla a expressão de genes.”

[Grifo meu]

[Texto adaptado]

Journal Reference:

  1. Arttu Jolma, Yimeng Yin, Kazuhiro R. Nitta, Kashyap Dave, Alexander Popov, Minna Taipale, Martin Enge, Teemu Kivioja, Ekaterina Morgunova, Jussi Taipale. DNA-dependent formation of transcription factor pairs alters their binding specificity. Nature, 2015; DOI:10.1038/nature15518

Moléculas fundamentais da célula são universais – As primeiras previsões da evolução.

By Cornelius Hunter – Darwins Predictions

Além do código de DNA, existem outros processos moleculares fundamentais que parecem ser comuns a toda a vida. Um exemplo intrigante é a replicação que copia ambas as cadeias da molécula de DNA, mas em direções diferentes . Evolução prevê que esses processos fundamentais são comuns a toda a vida. Na verdade, esta era comumente dita, ser uma importante previsão de sucesso para a teoria. Como Niles Eldredge explicou, a “uniformidade química subjacente da vida ” foi um teste severo que a evolução passou com distinção. (Eldredge, 41)

Da mesma forma Christian De Duve declarou que a evolução é em parte confirmada pelo fato de que todos os organismos vivos existentes funcionam de acordo com os mesmos princípios. (De Duve, 1) E Michael Ruse concluiu que as macromoléculas essenciais da vida ajudam a tornar a evolução para além de qualquer dúvida razoável. (Ruse, 4)

 

Mas esta conclusão de que os processos moleculares fundamentais dentro da célula são comuns a todas as espécies foi superficial. Nos anos posteriores, quando os detalhes foram investigados, diferenças importantes entre espécies surgiram. Por exemplo, proteínas-chave de replicação de DNA surpreendentemente “mostraram pouca ou nenhuma semelhança de sequência entre as bactérias e archaea / eucariotos.” (Leipe) também diferentes processos de replicação de DNA foram descobertos. Esses resultados não foram como se esperava:

 

Em particular, e contra intuitivamente, dado o papel central do ADN em todas as células e a uniformidade mecanicista de replicação, as enzimas do núcleo dos sistemas de replicação de bactérias e archaea (bem como eucariotas) são independentes ou a relação entre ambos é extremamente distante. Os vírus e plasmídeos, além disso, possuem, pelo menos, dois sistemas de replicação de DNA original, ou seja, proteína primordial e  a replicação das modalidades de círculo de rolamento. Esta diversidade inesperada faz com que a origem e evolução de sistemas de replicação de DNA um problema particularmente desafiador e intrigante na biologia evolutiva. (Koonin)

 

Alguns evolucionistas estão reconsiderando a suposição de que toda a vida na Terra compartilha a mesma arquitetura básica molecular e bioquímica, e ao invés disso, examinam a possibilidade de evolução independente, e múltiplas origens, fundamentalmente diferente, de formas de vida. (Cleland, Leipe)

 

(Texto adaptado)

 

Referencias:

Cleland, Carol. 2007. “Epistemological issues in the study of microbial life: alternative terran biospheres?.” Studies in History and Philosophy of Science Part C: Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 38:847-861.

de Duve, Christian. 1995. Vital Dust. New York: BasicBooks.

Eldredge, Niles. 1982. The Monkey Business. New York: Washington Square Press.

Koonin, E. 2006. “Temporal order of evolution of DNA replication systems inferred by comparison of cellular and viral DNA polymerases.” Biology Direct 18:1-39.

Leipe, D., L. Aravind, E. Koonin. 1999. “Did DNA replication evolve twice independently?.” Nucleic Acids Research27:3389-3401.
Ruse, Michael. 1986. Taking Darwin Seriously. New York: Basil Blackwell.