Design dekódování a editace: enzymy fungující jako dvojité síto

Link na článek v angličtině: creation.com/doublesieve

Všechny živé organismy obsahují doslova encyklopedické množství složitých a specifických informací. Živé organismy mají zdaleka nejkompaktnější známý systém ukládání a vyhledávání informací: systém nukleové kyseliny a bílkovin. Hlavní plán nebo recept je zakódován v obrovských molekulách DNA (deoxyribonukleové kyseliny).¹ Kodon neboli sekvence tří ze čtyř typů „písmen“ DNA (nukleotidů) kóduje jeden z 20 typů „písmen“ bílkovin (aminokyselin). Gen je definován jako sekvence nukleotidů kódující jeden protein nebo podjednotku vícesložkového proteinu. Dokonce i nejmenší známý genom volně žijícího organismu, Mycoplasma genitalium, obsahuje 482 genů o 580 000 nukleotidech. ²

Dekódování (translace) vyžaduje mnoho složek, včetně složitého editačního zařízení pro opravu chyb. Jak ale upozornil slavný filozof vědy, sir Karl Popper (1902-1994):

„…mechanismus, kterým buňka (alespoň ta, která není primitivní, což je jediná buňka, kterou známe) překládá kód, se skládá z nejméně padesáti makromolekulárních složek, které jsou samy zakódovány v DNA. Kód tedy nelze přeložit jinak než pomocí určitých produktů jeho překladu. To představuje nepřehledný kruh; zdá se, že je to skutečně bludný kruh pro jakýkoli pokus o vytvoření modelu nebo teorie geneze genetického kódu.“³

Z toho vyplývá, že dekódování muselo být funkční od samého počátku, jinak by život nemohl existovat.

Dekódování molekul

Obrázek 1. Translace mRNA v aminokyselinách. Ribozom se pohybuje podél vlákna mRNA a sestavuje rostoucí polypeptidový řetězec (viz Jorde et al.³²).

Jedním z mnoha typů potřebných molekul jsou molekuly přenosové ribonukleové kyseliny (tRNA). Jedná se o molekuly, které spojují správnou aminokyselinu se správným kodonem. Obsahují asi 80 nukleotidových „písmen“, z nichž tři se nazývají antikodon. Antikodon se spojí s odpovídajícím kodonem v messengerové RNA (mRNA), která zase přenese správný kód z DNA. Tak mohou molekuly tRNA přenášet správné aminokyseliny na správné místo v rostoucím peptidovém řetězci, jak je zakódováno v mRNA.⁴ Aminokyselina je také navázána na tRNA tak, aby byla aktivována, tj. aby měla vysoký chemický potenciál – to je nutné, aby vytvořila peptidovou vazbu se sousední aminokyselinou v polypeptidu. Volné aminokyseliny nemají téměř žádnou tendenci samy tvořit polypeptidy, spíše naopak.⁵

Jakékoli evoluční vysvětlení vzniku nukleových kyselin z hypotetické prapolévky naráží také na obrovské chemické překážky.^6, 7 I kdybychom připustili, že RNA mohla vzniknout spontánně, existuje obrovská překážka při spojení správné aminokyseliny se správným antikodonem naturalistickými prostředky. Pokud by vazby nebyly správné, celý dekódovací mechanismus by dekódoval špatnou zprávu nebo žádnou zprávu, což by znamenalo, že organismus by nemohl vyrábět životně důležité enzymy. Neexistuje však žádný chemický důvod, proč by se měl konkrétní antikodon vázat na konkrétní aminokyselinu. Ve skutečnosti se nacházejí na opačných koncích tRNA, což vylučuje jakoukoli chemickou interakci. Opět musely být od počátku plně funkční.

Syntéza tRNA

Obrázek 2. Tři aminokyseliny.

Živé organismy se při syntéze tRNA nespoléhají a ani nemohou spoléhat na náhodnou chemii. Správná aminokyselina je spíše aktivována a ve dvou krocích spojena se správnou tRNA pomocí aminoacyl-tRNA syntetáz (aaRS).⁸ Nejprve je chemická energie dodána adenosintrifosfátem (ATP), který byl vytvořen na jiném místě pomocí ATP syntázy, enzymu obsahujícího miniaturní rotační motor, F₁-ATPázy. ^{9, 10, 11, 12} ATP reaguje s aminokyselinou za vzniku směsného karboxylofosforečného anhydridu.¹³ Za druhé, aminoacylová skupina tvoří ester s 3′-hydroxylem ribózy v terminálním adenosinu tRNA.^8,13

Úprava enzymů dvojitého síta

Tyto kroky však nestačí k zajištění požadované vysoké věrnosti dekódování (chybovost 1/2400 až 1/40 000). Zároveň aaRS upravují konečné produkty, aby zajistily, že správná aminokyselina bude spojena se správnou tRNA. Jedním z problémů je rozlišování mezi chemicky podobnými aminokyselinami. Zejména L-valin (Val) a L-isoleucin (Ile) se liší pouze jedním methylenem (CH₂) skupinou. Dvojnásobný nositel Nobelovy ceny Linus Pauling (1901-1994) vypočítal, že vzhledem k tomu, že CH₂ má hydrofobní vazebnou energii jen asi 4 kJ/mol, byla by chybovost při nahrazení Ile za Val asi jedna ku pěti.¹⁴ Je tedy termodynamicky nemožné, aby běžné jednostupňové rozpoznávání dosáhlo chybovosti 1/3 000 pozorované u isoleucyl-tRNA syntetázy (IleRS).^{15, 16, 17, 18}

Chyba při záměně Ile za Val však může být biologicky škodlivá nebo dokonce katastrofální. Dokonce i jediná mutace Ile-Val v jádru ribonukleázy T₁ snižuje její stabilitu v důsledku „ztráty příznivých interakcí při balení postranního řetězce ve složené formě proteinu.“¹⁹ Taková mutace v hydrofobním jádru inhibitoru chymotrypsinu 2 mění volnou energii při rozkládání (DDG_U-F) v průměru o 5,0 ± 0,4 kJ/mol.²⁰ Jediná mutace Ile-Val v nitru lidského lysozymu vede k menší odolnosti vůči denaturaci ((DDG od -1,5 – -5,0 kJ/mol).²¹ Tato mutace také zvyšuje náchylnost k rakovině plic²² a ovlivňuje rezistenci vůči lékům na HIV-1.²³

Dalším problémem, který Pauling uvádí, je to, že zatímco vazebné místo enzymu může snadno vyloučit molekuly, které jsou větší díky sterickým překážkám, jak může vyloučit molekuly, které jsou menší?^14,15

Alan Fersht poprvé navrhl řešení v roce 1977: editační mechanismus „dvojitého síta“.²⁴ Hrubé síto by vyloučilo větší aminokyseliny z aktivace, ale umožnilo by aktivaci pravé aminokyseliny a menších aminokyselin. Poté by jemné síto hydrolyzovalo produkty menších aminokyselin (viz schéma níže).

Obrázek 3. Mechanismus dvojitého síta pro isoleucyl-tRNA syntetázu. Hydrolytická úprava snižuje chybovost chybné aktivace valinu z očekávané hodnoty 1:10 až 1:100 na 1:40 000 (viz Ferscht¹⁵).

V roce 1998 Nureki et al. prokázali tento mechanismus dvojitého síta u IleRS. K vyřešení krystalové struktury Thermus thermophilus IleRS a jeho komplexů s Ile a Val použili techniky rentgenové difrakce (XRD). IleRS je obrovská molekula ve tvaru písmene L o rozměrech přibližně 100 Å x 80 Å x 45 Å a patří do prostorové skupiny C₂.⁸

IleRS obsahuje ve svém středu charakteristický nukleotidový vazebný záhyb zvaný Rossmannův. „Hrubé síto“ je štěrbina v Rossmannově záhybu se dvěma charakteristickými čtyřaminokyselinovými sekvencemi, které vážou ATP. Štěrbina váže také L-Ile ve spodní části – jeho uhlovodíkové skupiny a NH3⁺ a COO^{– –} skupiny jsou rozpoznány strategicky umístěnými aminokyselinovými zbytky enzymu. Toto místo je schopno vyloučit větší aminokyseliny díky sterické překážce, včetně L-leucinu, ačkoli ten se od Ile liší pouze umístěním methylové skupiny na postranním řetězci. To je v kontrastu s běžnou laboratorní organickou chemií, kde „je obzvláště obtížné oddělit leucin a izoleucin.“ ²⁵

Jemné síto je další částí Rossmannova záhybu, strukturní domény Ins-2, která obsahuje další hlubokou štěrbinu. Rentgenová difrakční analýza detekovala Val v této štěrbině v komplexu L-valin-IleRS, ale nikdy žádný Ile v komplexu L-isoleucin-IleRS – štěrbina je prostě příliš malá. Nesprávné produkty Val jsou zde hydrolyzovány, ale správné produkty Ile jsou chráněny.

Nureki et al. to prokázali sestrojením mutantního IleRS, který postrádal 47 aminokyselinových zbytků včetně tryptofanu (Trp²³²) v kapse specifické pro L-valin.⁸ Tím byla zcela zničena editační schopnost. V jiném experimentu Nureki et al. zmutovali pouze dvě aminokyseliny (přičemž nahradili Thr²⁴³ a Asn²⁵⁰ alaninem) E. coli IleRS, což opět zcela zničilo editační schopnost. Předchozí práce ukázaly, že i jediná mutace (nahrazující Tyr⁴⁰³ za Phe) výrazně snižuje editační schopnost E. coli IleRS.²⁶

Další aaRS mají také editační aktivitu, včetně ValRS, který deacyluje chybné produkty threoninu.²⁷

Evoluční zkreslení

Bohužel, brilantní práce Nurekiho et al.⁸ přišla vniveč, když se autoři vydali s běžným sekulárním proudem a poklonili se modle dneška – nesvaté trojici času, náhody a přírodního výběru. Jak píší,

„… z evolučního hlediska je zajímavé, že všechny enzymy katalyzující ústřední kroky biosyntézy a metabolismu Ile-Val nerozlišují nebo mohou zanedbat rozdíl mezi dvěma alifatickými aminokyselinami, jak bylo pozorováno u prvního katalytického místa IleRS. Toto zjištění naznačuje, že domnělý předek enzymů IleRS a ValRS mohl mít ve skutečnosti podobnou dvojí specifitu pro L-isoleucin a L-valin v systému prvotního genetického kódu.“ ²⁸

Dobrý designér samozřejmě často používá podobné stroje k výrobě podobných výrobků, ²⁹ což dává smysl, zejména s ohledem na mimořádně blízkou chemickou podobnost Ile a Val.²⁵ A jejich tvrzení je pouhým etiologickým mýtem, které postrádá sebemenší důkaz. Nenahradí to však vysvětlení, jak přesně se taková editační stránka mohla vyvinout přirozeným výběrem. Toto místo vyžaduje mnoho aminokyselin v přesných sekvencích, aby vůbec mohlo fungovat, a vykazuje tedy znak designu – to, co biochemik Michael Behe ve své knize Darwinova černá skříňka nazval neredukovatelnou složitostí.³⁰ Problém je v tomto případě obzvláště nápadný – protože přírodní výběr se rovná diferenciální reprodukci, pokud existuje špatná úprava, pak je přesná reprodukce úspěšných znaků nemožná. Katastrofa způsobená chybou je pravděpodobnější.^29, 31, 32