Німецькі біохіміки відтворили бактеріальний фермент віком два мільярди років (він каталізував хімічні реакції в клітинах бактерій) і порівняли з його сучасними нащадками, які виявилися більш ефективні. Дослідження дозволило дізнатися багато нового про еволюцію і властивості бактеріальних ферментів.
© Diana Smikalla
Вчені з Університету Лейпцига (Німеччина) реконструювали древній фермент — тРНК-нуклеотидилтрансферазу. Ці білки приєднують три нуклеотиди до транспортних РНК, щоб ті згодом могли постачати амінокислоти для синтезу білків. За допомогою філогенетичних реконструкцій дослідники відтворили кандидата на роль родової тРНК-нуклеотидилтрансферази, яка каталізувала реакції в клітинах бактерій близько двох мільярдів років тому. Потім вчені порівняли властивості отриманого ферменту з його сучасним аналогом. Результати дослідження опубліковані в журналі Molecular Biology and Evolution.
Виявилося, обидва ферменти працюють з однаковою точністю, але реакція проходить по-різному. Сучасний фермент багаторазово перериває свою активність. Протягом десятиліть біохіміки не могли зрозуміти, в чому еволюційна перевага такої реакції. Тільки порівняння з древнім ферментом дозволило розгадати цю загадку.
Реконструкція ферменту являла собою триетапний процес. Спершу автори провели в базах даних пошук сучасних тРНК-нуклеотидилтрансфераз, щоб вивчити їх амінокислотні послідовності, які потім вчені використовували для обчислення того, як повинна була виглядати предкова послідовність. Потім потрібну послідовність гена, що кодує стародавній предмет, вводили бактеріальним клітинам, які синтезували бажаний білок.
Як і організми, ферменти оптимізуються в процесі еволюції. Каталіз, здійснюваний ферментом, зазвичай протікає швидше і краще, коли білок міцно зв’язує свій субстрат. Реконструйований родовий фермент робить саме це: міцно тримається за свій субстрат — транспортну РНК — і прикріплює до неї три нуклеотиди. Сучасні тРНК-нуклеотидилтрансферази, навпаки, працюють поетапно, з паузами, під час яких випускають свій субстрат. Однак при цьому вони набагато швидше і ефективніше своїх предків-попередників.
Пояснення криється в явищі зворотної реакції, при якій вже прикріплені нуклеотиди повторно видаляються ферментом. У той час як сильне зв’язування предкового ферменту з субстратом призводило до подальшого видалення, зворотна реакція сучасних ферментів майже повністю запобігається завдяки паузам, і це дозволяє їм працювати ефективніше попередників.