Aus der Perspektive eines Ingenieurs betrachtet, ist die Biologie oft chaotisch und unvollkommen. Beispielsweise ist Redundanz ein gemeinsames Merkmal biologischer Systeme, wobei sich die Aufgabe einer biologischen Komponente mit der einer anderen überschneidet.
Eine Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde eLifeuntersucht, ob einige Arten der biologischen Redundanz – trotz der offensichtlichen Ineffizienz – tatsächlich von Vorteil sein können.
Übersetzung: Ein biologischer Prozess mit einem hohen Grad an Redundanz
Die Übersetzung ist ein energetisch kostspieliger Prozess, bei dem Zellen genetische Informationen in Proteine umwandeln. Der Entschlüsselungsprozess wird von Ribosomen und Transfer-RNAs (tRNAs) durchgeführt. Diese wichtigen biologischen Moleküle sind selbst in der genetischen Information der Zelle kodiert, oft durch mehrere (und manchmal Hunderte) identischer Genkopien.
Beispielsweise enthält der häufig verwendete Laborbakterienstamm Escherichia coli K-12 MG1655 sieben Kopien der ribosomalen RNA (rRNA)-Gene und bis zu sechs Kopien jedes tRNA-Gens. Diese offensichtliche Redundanz ist zunächst unerwartet; Warum die Kosten für die Aufrechterhaltung zahlreicher identischer Genkopien bezahlen?
Eine Hypothese ist, dass mehr Genkopien eine größere oder schnellere Produktion von Ribosomen und tRNAs ermöglichen, was unter unterstützenden Bedingungen zu einem schnelleren Wachstum und einer schnelleren Teilung führt. Um diese Hypothese zu testen, tat sich die Gruppe von Deepa Agashe am National Center for Biological Sciences (Indien) mit der Gruppe Microbial Evolutionary Dynamics am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie (unter der Leitung von Jenna Gallie) zusammen.
Grade der translationalen Redundanz in E. coli können im Labor manipuliert werden
Aus dem Genom von E. coli K-12 MG1655 wurden verschiedene redundante rRNA- und/oder tRNA-Genkopien entfernt. Das Ergebnis war eine Reihe von abgeleiteten Stämmen, jeder mit einem geringeren Grad an translationaler Redundanz als im ursprünglichen Stamm. Biologische Assays wurden verwendet, um zu zeigen, dass die Gen-Deletionsereignisse entweder zu einer Verringerung der reifen tRNA-Expression (über YAMAT-seq) und/oder einer Verlangsamung der Translation (über β-Galactosidase-Reporter-Assays) führen.
Diese Ergebnisse zeigen, dass (i) die genetische Redundanz der Translationskomponenten von E. coli verringert werden kann und (ii) die genetischen Reduktionen sich in der ausgereiften Translationsmaschinerie widerspiegeln.
Mehr Genkopien sind bei erhöhtem Translationsbedarf von Vorteil
Die Wachstumsprofile aller Stämme wurden in verschiedenen Umgebungen gemessen, in denen die Nährstoffverfügbarkeit von arm bis reich reichte. Im Allgemeinen wuchsen die Stämme mit geringerer Redundanz schneller als der ursprüngliche Stamm, wenn Nährstoffe knapp waren, aber langsamer als der ursprüngliche Stamm, wenn Nährstoffe frei verfügbar waren. Diese Ergebnisse stimmen mit der ursprünglichen Hypothese überein: Genetische Redundanz hat ihren Preis, wenn die Translation langsam ist, und diese Kosten werden unter Bedingungen verringert, die eine schnellere Translation und ein schnelleres Wachstum unterstützen.
Diese Studie hat gezeigt, dass das Tragen mehrerer rRNA/tRNA-Genkopien unter Bedingungen, die eine zunehmend schnellere Translation und ein zunehmend schnelleres Wachstum unterstützen, von Vorteil sein kann. Im weiteren Sinne zeigen die Ergebnisse, dass (scheinbare) Redundanz in komplexen biologischen Systemen eine vorteilhafte Rolle spielen kann, insbesondere unter sich ändernden Umweltbedingungen.
Mehr Informationen:
Parth K Raval et al, Die geschichteten Kosten und Vorteile der Übersetzungsredundanz, eLife (2023). DOI: 10.7554/eLife.81005