La biología debe tener prisa. Al equilibrar la velocidad y la precisión para duplicar el ADN, producir proteínas y llevar a cabo otros procesos, la evolución aparentemente ha determinado que la velocidad es de mayor prioridad, según los investigadores de la Universidad de Rice.
Los científicos de Rice están desafiando las suposiciones de que la transcripción y traducción perfectamente precisas son críticas para el éxito de los sistemas biológicos. Resulta que algunos errores aquí y allá no son críticos siempre que la gran mayoría de los biopolímeros producidos sean correctos.
Un nuevo artículo muestra cómo la naturaleza ha optimizado dos procesos, la replicación del ADN y la traducción de proteínas, que son fundamentales para la vida. Al analizar simultáneamente el equilibrio entre velocidad y precisión, el equipo de Rice determinó que las velocidades de reacción seleccionadas naturalmente se optimizan para la velocidad "siempre y cuandoya que el nivel de error es tolerable "
El papel en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias es por el compañero posdoctoral de Rice Kinshuk Banerjee y sus asesores, Oleg Igoshin, profesor asociado de bioingeniería y biociencias, y Anatoly Kolomeisky, profesor de química e ingeniería química y biomolecular.
Su técnica les permitió ver que, si bien la corrección de errores mediante la corrección de pruebas cinéticas se inclina hacia la velocidad, el costo de ir lo más rápido posible a veces podría ser demasiado grande.
La corrección cinética es el proceso bioquímico que permite que las enzimas, como las responsables de la producción de proteínas y ADN, logren una mayor precisión entre sustratos químicamente similares. Las secuencias se comparan con las plantillas en varios pasos y se aprueban o descartan, pero cada paso requieretiempo y recursos energéticos y, como resultado, se producen varias compensaciones.
"Los procesos de verificación adicionales ralentizan el sistema y consumen energía adicional", dijo Banerjee. "Piense en un sistema de seguridad del aeropuerto que verifique a los pasajeros. Una mayor seguridad precisión significa la necesidad de más personal energía, con tiempos de espera más largos parapasajeros menos velocidad "
Los investigadores encontraron que las teorías prevalecientes no eran satisfactorias cuando se interesaron en aprender cómo la naturaleza corrige sus errores.
"Nunca estuve contento con la forma en que las personas ven los mecanismos de corrección de errores biológicos porque sus enfoques se simplificaron demasiado", dijo Kolomeisky, que estudia los mecanismos de los sistemas biológicos. "Quería un marco más completo, para poder verlas vías correctas e incorrectas para la replicación y traducción, así como para otros procesos.
"Desarrollamos un poderoso método cuantitativo con el que podemos calcular simultáneamente el error, la velocidad y los costos de energía, donde los métodos anteriores solo se enfocaban en los errores", dijo.
"Vimos lo que faltaba", agregó Igoshin, cuyo laboratorio en Rice's BioScience Research Collaborative estudia biología de sistemas computacionales. "Al analizar simultáneamente varios parámetros, podemos ver la interacción entre la energía, el error y la velocidad y determinar dónde se produce la optimización".
Si bien la velocidad sigue siendo una prioridad, los sistemas biológicos sacrifican un poco ajustando la corrección de errores. Los gráficos producidos por los cálculos de Rice muestran que cuando la replicación de proteínas está limitada por solo un punto porcentual o dos por debajo de la velocidad máxima, la precisión sigue siendo alta ylos ahorros de energía son significativos
"Quizás no sea tan sorprendente que la precisión no sea la única preocupación para el sistema", dijo Banerjee. "Lo que es fascinante es cómo los sistemas optimizan su rendimiento ajustando estos objetivos aparentemente opuestos mientras se ocupan del costo energético"
El concepto de velocidad versus precisión ya ha sido explorado en un sistema muy diferente en Rice a través del trabajo del científico informático Krishna Palem, quien creó microprocesadores que aumentan su eficiencia al permitir pequeñas imperfecciones en sus cálculos.
"Eso tiene tanto sentido para la biología como para la ingeniería", dijo Igoshin. "Una vez que eres lo suficientemente preciso, dejas de optimizar".
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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