Biologie moet haast hebben. Bij het balanceren van snelheid en nauwkeurigheid om DNA te dupliceren, eiwitten produceren en andere processen uitvoeren, evolutie heeft blijkbaar vastgesteld dat snelheid een hogere prioriteit heeft, volgens onderzoekers van Rice University.

Rice-wetenschappers betwisten veronderstellingen dat perfect nauwkeurige transcriptie en translatie cruciaal zijn voor het succes van biologische systemen. Het blijkt dat een paar fouten hier en daar niet kritisch zijn, zolang de overgrote meerderheid van de geproduceerde biopolymeren maar correct is.

Een nieuw artikel laat zien hoe de natuur twee processen heeft geoptimaliseerd, DNA-replicatie en eiwittranslatie, die fundamenteel zijn voor het leven. Door gelijktijdig de balans tussen snelheid en nauwkeurigheid te analyseren, het Rice-team stelde vast dat natuurlijk geselecteerde reactiesnelheden optimaliseren voor snelheid "zolang het foutniveau aanvaardbaar is."

Het papier in de Proceedings van de National Academy of Sciences is door Rice postdoctoraal fellow Kinshuk Banerjee en zijn adviseurs, Oleg Igoshin, een universitair hoofddocent bio-engineering en biowetenschappen, en Anatoly Kolomeisky, een professor in de chemie en chemische en biomoleculaire engineering.

Hun techniek stelde hen in staat om te zien dat terwijl foutcorrectie door middel van kinetisch proeflezen naar snelheid neigt, de kosten om zo snel mogelijk te gaan, kunnen soms te hoog zijn.

Kinetisch proeflezen is het biochemische proces dat ervoor zorgt dat enzymen, zoals degenen die verantwoordelijk zijn voor de productie van eiwitten en DNA, om een ​​betere nauwkeurigheid te bereiken tussen chemisch vergelijkbare substraten. Sequenties worden in meerdere stappen vergeleken met sjablonen en worden ofwel goedgekeurd of verwijderd, maar elke stap vereist tijd en energiebronnen en als resultaat treden er verschillende afwegingen op.

"Extra controleprocessen vertragen het systeem en verbruiken extra energie, " zei Banerjee. "Denk aan een luchthavenbeveiligingssysteem dat passagiers controleert. Hogere beveiliging (nauwkeurigheid) betekent behoefte aan meer personeel (energie), met langere wachttijden voor passagiers (minder snelheid)."

De onderzoekers vonden de heersende theorieën onbevredigend toen ze geïnteresseerd raakten in hoe de natuur haar fouten corrigeert.

"Ik ben nooit blij geweest met de manier waarop mensen naar biologische foutcorrectiemechanismen kijken, omdat hun benaderingen te eenvoudig waren. " zei Kolomeisky, die de mechanismen van biologische systemen bestudeert. "Ik wilde een uitgebreider kader, zodat we zowel naar de goede als de verkeerde paden voor replicatie en vertaling kunnen kijken, maar ook voor andere processen.

"We hebben een krachtige kwantitatieve methode ontwikkeld waarmee we tegelijkertijd fouten kunnen berekenen, snelheid en energiekosten, waar eerdere methoden alleen gericht waren op fouten, " hij zei.

"We zagen wat er ontbrak, " voegde Igoshin toe, wiens laboratorium bij Rice's BioScience Research Collaborative computationele systeembiologie bestudeert. "Door gelijktijdig meerdere parameters te analyseren, kunnen we de wisselwerking zien tussen energie, fout en snelheid en bepalen waar optimalisatie plaatsvindt."

Hoewel snelheid nog steeds een prioriteit is, biologische systemen offeren een beetje op door foutcorrectie te verfijnen. Grafieken geproduceerd door de Rice-berekeningen laten zien dat wanneer eiwitreplicatie wordt beperkt met slechts een procentpunt of twee onder de maximale snelheid, de nauwkeurigheid blijft hoog en de energiebesparingen zijn aanzienlijk.

"Het is misschien niet zo verwonderlijk dat nauwkeurigheid niet de enige zorg is voor het systeem, "Zei Banerjee. "Wat fascinerend is, is hoe de systemen hun prestaties optimaliseren door deze ogenschijnlijk tegengestelde doelstellingen te verfijnen en tegelijkertijd voor de energetische kosten te zorgen."

Het concept van snelheid versus nauwkeurigheid is al onderzocht in een heel ander systeem bij Rice door werk van computerwetenschapper Krishna Palem, die microprocessors creëerden die hun efficiëntie verhogen door kleine onvolkomenheden in hun berekeningen toe te staan.

"Dat is net zo logisch voor biologie als voor techniek, " zei Igoshin. "Als je eenmaal nauwkeurig genoeg bent, je stopt met optimaliseren."