Немецкие биохимики воссоздали бактериальный фермент возрастом два миллиарда лет (он катализировал химические реакции в клетках бактерий) и сравнили с его современными потомками, которые оказались более эффективны. Исследование позволило узнать много нового об эволюции и свойствах бактериальных ферментов.
© Diana Smikalla
Ученые из Университета Лейпцига (Германия) реконструировали древний фермент — тРНК-нуклеотидилтрансферазу. Эти белки присоединяют три нуклеотида к транспортным РНК, чтобы те впоследствии могли поставлять аминокислоты для синтеза белков. С помощью филогенетических реконструкций исследователи воссоздали кандидата на роль предковой тРНК-нуклеотидилтрансферазы, которая катализировала реакции в клетках бактерий около двух миллиардов лет назад. Затем ученые сравнили свойства полученного фермента с его современным аналогом. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.
Оказалось, оба фермента работают с одинаковой точностью, но реакция проходит по-разному. Современный фермент многократно прерывает свою активность. На протяжении десятилетий биохимики не могли понять, в чем эволюционное преимущество такой реакции. Только сравнение с древним ферментом позволило разгадать эту загадку.
Реконструкция фермента представляла собой трехэтапный процесс. Сперва авторы провели в базах данных поиск современных тРНК-нуклеотидилтрансфераз, чтобы изучить их аминокислотные последовательности, которые потом ученые использовали для вычисления того, как должна была выглядеть предковая последовательность. Затем нужную последовательность гена, кодирующую древний предмет, вводили бактериальным клеткам, синтезировавшим желаемый белок.
Как и организмы, ферменты оптимизируются в процессе эволюции. Катализ, совершаемый ферментом, обычно протекает быстрее и лучше, когда белок прочно связывает свой субстрат. Реконструированный предковый фермент делает именно это: крепко держится за свой субстрат — транспортную РНК — и прикрепляет к ней три нуклеотида. Современные тРНК-нуклеотидилтрансферазы, напротив, работают поэтапно, с паузами, во время которых выпускают свой субстрат. Однако при этом они гораздо быстрее и эффективнее своих предков-предшественников.
Объяснение кроется в явлении обратной реакции, при которой уже прикрепленные нуклеотиды повторно удаляются ферментом. В то время как сильное связывание предкового фермента с субстратом приводило к последующему удалению, обратная реакция современных ферментов почти полностью предотвращается благодаря паузам, и это позволяет им работать эффективнее предшественников.
