Biologin måste ha bråttom. I balansering av hastighet och noggrannhet för att duplicera DNA, producera proteiner och utföra andra processer, utvecklingen har tydligen bestämt att hastigheten har högre prioritet, enligt forskare från Rice University.

Risforskare utmanar antaganden om att helt korrekt transkription och översättning är avgörande för att biologiska system ska lyckas. Det visar sig att några misstag här och där inte är kritiska så länge den stora majoriteten av de biopolymerer som produceras är korrekta.

Ett nytt papper visar hur naturen har optimerat två processer, DNA -replikation och proteinoversättning, som är grundläggande för livet. Genom att samtidigt analysera balansen mellan hastighet och noggrannhet, Rice -teamet bestämde att naturligt utvalda reaktionshastigheter optimerar för hastighet "så länge felnivån är acceptabel."

Papperet i Förfaranden från National Academy of Sciences är av Rice postdoktor Kinshuk Banerjee och hans rådgivare, Oleg Igoshin, docent i bioingenjör och biovetenskap, och Anatoly Kolomeisky, professor i kemi och kemi- och biomolekylteknik.

Deras teknik tillät dem att se att medan felkorrigering genom kinetisk korrekturläsning lutar mot hastighet, kostnaden för att gå så snabbt som möjligt kan ibland bli för stor.

Kinetisk korrekturläsning är den biokemiska processen som tillåter enzymer, såsom de som är ansvariga för protein- och DNA -produktion, för att uppnå bättre noggrannhet mellan kemiskt liknande substrat. Sekvenser jämförs med mallar i flera steg och är antingen godkända eller kasserade, men varje steg kräver tid och energiresurser och som ett resultat uppstår olika avvägningar.

"Ytterligare kontrollprocesser saktar ner systemet och förbrukar extra energi, "Banerjee sa." Tänk på ett säkerhetssystem för flygplatser som kontrollerar passagerare. Högre säkerhet (noggrannhet) innebär ett behov av mer personal (energi), med längre väntetider för passagerare (mindre hastighet). "

Forskarna fann de vanliga teorierna otillfredsställande när de blev intresserade av att lära sig hur naturen korrigerar sina fel.

"Jag har aldrig varit nöjd med hur människor ser på biologiska felkorrigeringsmekanismer eftersom deras tillvägagångssätt var förenklade, "sade Kolomeisky, som studerar mekanismerna för biologiska system. "Jag ville ha en mer omfattande ram, så att vi kunde titta på både rätt och fel väg för replikering och översättning, liksom för andra processer.

"Vi utvecklade en kraftfull kvantitativ metod som vi samtidigt kan beräkna fel, hastighet och energikostnader, där tidigare metoder bara fokuserade på fel, " han sa.

"Vi såg vad som saknades, "tillade Igoshin, vars laboratorium vid Rice's BioScience Research Collaborative studerar beräkningssystembiologi. "Genom att samtidigt analysera flera parametrar, vi kan se samspelet mellan energi, fel och hastighet och avgör var optimering sker. "

Även om hastigheten fortfarande är en prioritet, biologiska system offrar lite genom att finjustera felkorrigering. Grafer som framställts av risberäkningarna visar att när proteinreplikation är begränsad med bara en procentenhet eller två under maxhastigheten, noggrannheten är fortfarande hög och energibesparingarna är betydande.

"Det är kanske inte så förvånande att noggrannhet inte är det enda problemet för systemet, "Det är fascinerande hur systemen optimerar sina prestanda genom att finjustera dessa till synes motsatta mål samtidigt som de tar hand om de energikostnaderna."

Begreppet hastighet kontra noggrannhet har redan utforskats i ett helt annat system på Rice genom arbete av datavetenskapsmannen Krishna Palem, som skapade mikroprocessorer som ökar deras effektivitet genom att tillåta små brister i sina beräkningar.

"Det är lika vettigt för biologi som för teknik, "Sa Igoshin." När du är tillräckligt noggrann, du slutar optimera. "