Dávné proteiny osvětlují původ života na Zemi a mohou inspirovat proteinové inženýrství
Tým výzkumníků z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, BIOCEV a Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, Johns Hopkins University (USA) a ELSI (Japonsko) zjistil, proč moderní proteiny používají repertoár 20 kanonických aminokyselin (AA). Simulací časných podmínek na Zemi v laboratoři vědci zjistili, že bez specifických aminokyselin by se dávné proteiny zřejmě nemohly vyvinout ve vše živé na dnešní planetě – včetně rostlin, zvířat a lidí.
Předchozí studie naznačují, že dávné proteiny vznikaly z omezené abecedy zhruba 10 raných aminokyselin, zatímco pozdní aminokyseliny (které se do této abecedy přidaly později) byly již produktem biosyntetických cest. Prebioticky však bylo k dispozici mnoho nekanonických aminokyselin, což vyvolává otázku: proč máme právě současnou moderní abecedu aminokyselin a byly by bílkoviny schopny skládat se do globulárních struktur stejně dobře, kdyby genetický kód tvořily různé aminokyseliny?
Pro zodpovězení této otázky tým experimentálně hodnotil rozpustnost a sklony k tvorbě sekundární struktury několika prebioticky relevantních aminokyselin v kontextu syntetických peptidových knihoven. Výsledky ukazují, že například alifatické nerozvětvené aminokyseliny byly z proteinogenní abecedy vypuštěny, protože vytvářejí polypeptidy, které jsou nadměrně rozpustné a mají nízkou tendenci ki tvorbě strukturních motivů. Zařazení bazické aminokyseliny s krátkým řetězcem (tedy takové aminokyseliny, které byly na rozdíl od argininu a lysinu prebioticky dostupné) také snižuje potenciál sekundární struktury polypeptidů, pro což tým navrhuje biofyzikální model. Tento model popisuje, jaká “pravidla” by naopak musela být dodržena při návrhu proteinů z neproteinogenních aminokyselin.
Výsledky studie podporují názor, že raná kanonická abeceda byla pozoruhodně adaptivní při podpoře skládání proteinů, a vysvětlují, proč byly bazické zbytky začleněny až v pozdější fázi evoluce proteinů. "Jsme nadšeni, že jsme odhalili některé z důvodů, proč se proteinová abeceda vyvinula tak, jak ji známe nyní," uvedla korespondeční autorka studie Klára Hlouchová. "Naše zjištění naznačují, že při výběru kanonické abecedy hrála rozhodující roli tvorba struktury, a vysvětlují, proč byly některé prebioticky dostupné aminokyseliny z proteinové abecedy vyřazeny."
Vědci již objevili aminokyseliny v asteroidech daleko od Země, což naznačuje, že tyto sloučeniny jsou všudypřítomné v jiných koutech vesmíru. To je důvod, proč si Stephen Fried (korespondenční spoluautor) myslí, že nový výzkum by mohl mít také důsledky pro možnost nalezení života mimo Zemi. "Zdá se, že vesmír miluje aminokyseliny," řekl Fried. "Možná, že kdybychom našli život na jiné planetě, nebyl by tak odlišný."
Výsledky studie umožňují nahlédnout do evoluce proteinů a mohou mít význam pro proteinové inženýrství a navrhování léčiv. Tým plánuje provést další výzkum, aby prozkoumal důsledky svých zjištění.
Více o článku: Makarov M, Sanchez Rocha AC, Krystufek R, Cherepashuk I, Dzmitruk V, Charnavets T, Faustino AM, Lebl M, Fujishima K, Fried SD, and Hlouchova K. (2023). Early Selection of the Amino Acid Alphabet Was Adaptively Shaped by Biophysical Constraints of Foldability. J. Am. Chem. Soc. https://doi.org/10.1021/jacs.2c12987
