Ein drei Milliarden Jahre alter Notbehelf
Einzelheiten der komplizierten Mechanismen der Proteinbiosynthese finden selten den Weg in die allgemeinen Medien, außer wenn – wie im vergangenen Jahr – gerade ein Nobelpreis dafür vergeben wird. Dieses mediale Desinteresse steht in eklatantem Widerspruch zur Bedeutung des Gebiets nicht nur für Grundlagenverständnis der Biologie der Zelle und des Ursprungs des Lebens, sondern auch für aktuelle medizinische Probleme, etwa die Wirkung von Antibiotika. Erklären lässt sich die Nichtbeachtung lediglich mit der Schwierigkeit der Materie.
Die Forschungsarbeiten von Paul Schimmel am Scripps-Institut in La Jolla (Kalifornien) über die Evolution der tRNA-Synthetasen ist ein Musterbeispiel. Diese Enzyme, welche die Aminosäuren an einen geeigneten „Adapter“ (die Transfer-RNA, kurz: tRNA) binden, sind seit den Zeiten des letzten gemeinsamen Vorfahren aller heutigen Lebewesen (LUCA, Last Universal Cellular Ancestor) etabliert, sind aber in den Jahrmillionen vor LUCA offenbar aus einer kleineren Zahl von Vorläufern evolviert, wie man an den Verwandtschaftsähnlichkeiten zwischen tRNAs für verschiedene Aminosäuren erkennen kann. Genetik und Genomik führen uns im allgemeinen nur bis zu LUCA zurück, doch in den tRNA-Synthetasen und den zugehörigen tRNAs liegen Informationen über die Zeit vor LUCA verborgen, bis hin zum Ursprung der Aufgabenteilung zwischen Proteinen, RNA und DNA.
In einem Anfang Dezember in Nature erschienen Paper hat Schimmels Team nun einen weitere interessanten Aspekt der tRNA-Synthetasen weiter ausgeleuchtet: die Fehlerkorrektur. Offenbar hat die Alanin-tRNA-Synthetase eine auffällige Fehleranfälligkeit, sie neigt dazu, sowohl das kleinere Glycin als auch das größere Serin statt dem gewünschten Alanin zu akzeptieren. Eine Verbesserung durch Mutation der Bindungsstelle scheint nicht funktioniert zu haben, denn diese ist bei allen untersuchten Lebewesen identisch.
Stattdessen entwickelte die Natur eine Art Reparaturflicken: ein zweites Enzym, das sich von der Alanin-tRNA-Synthetase ableitet, und eine zusätzliche Überprüfung der aktivierten Aminosäure durchführt. Diese Notlösung ist heute so weit verbreitet, dass auch sie vermutlich bereits bei LUCA vorhanden war, also über drei Milliarden Jahre alt ist. In einer ganzen Serie von röntgenkristallographischen Strukturen hat Schimmels Arbeitsgruppe nun detailliert herausgearbeitet, wie dieser uralte Notbehelf funktioniert. Hier öffnet sich ein einzigartiges Fenster mit Blick auf die früheste, allen Lebewesen gemeinsame Phase der Evolution. Aber natürlich guckt wieder kein Schwein.
Literaturhinweis:
Min Guo, Yeeting E. Chong, Ryan Shapiro, Kirk Beebe, Xiang-Lei Yang & Paul Schimmel
Nature 2009, 462, 808
Paradox of mistranslation of serine for alanine caused by AlaRS recognition dilemma
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Interessant ist es aber trotzdem. Gut, ich hatte grade meine Not und mußte querlesen, da Biologie und Chemie nicht grade die Fächer sind, wo ich besonders aufgepaßt habe. Ich finde es aber trotzdem äußerst spannend, daß die Theorien, die der Mensch in der Informatik gefunden hat, von der Natur viele Jahre vorher entwickelt wurde. Aber irgendwie ist es vielleich doch eine Bestätigung, daß dr Mensch nicht gaanz so doof ist, wie er sich manchmal anstellt.
Offensichtlich hat die evolutionäre, jahrmillionenlange Optimierung doch noch nicht ausgereicht, um sämtliche Fehlerstellen auszubügeln. Aber ebenfalls offensichtlich kommt die Natur damit bestens zurecht.
Vielen Dank für den interessanten Artikel.
TEK
Die Natur wendet über das Mutations-/Selektionsprinzip den Hill-Climbing-Suchalgorithmus an, das heisst sie sucht nur immer die momentane Umgebung ab und landet schliesslich auf dem nächsten Hügel (lokales Optimum). Es könnte aber eine viel bessere Lösung geben, die allerdings mehrere Schritte aufsmal erfordern würde, und deshalb nicht gefunden wird.
Aus menschlicher Sicht, das heisst aus Ingenieurssicht, muss die Natur in vielem weit von der perfekten Lösung entfernt sein.
Es wundert einen deshalb nicht, dass beispielsweise Craig Venter von der Notwendigkeit des Reengineerings natürlicher Stoffwechselpfade spricht:
"Current projects include: research on ways to produce clean hydrogen fuel from sunlight and water, by modifying photosynthesis as well as REENGINEERING enzyme pathways in certain bacteria to cost-effectively produce ethanol from woody biomass. "
oder (siehe http://www.tomeofwisdom.com/...ing-the-human-body/)
“The genetic code is 3.6 billion years old. It’s time for a rewrite.” - Tom Knight, MIT Artificial Intelligence Lab