Alla levande varelser använder den genetiska koden för att "översätta" DNA-baserad genetisk information till proteiner, som är de huvudsakliga arbetsmolekylerna i celler. Exakt hur den komplexa översättningsprocessen uppstod i de tidigaste stadierna av livet på jorden för mer än fyra miljarder år sedan har länge varit mystiskt, men två teoretiska biologer har nu gjort ett betydande framsteg för att lösa detta mysterium.

Charles Carter, Ph.D., professor i biokemi och biofysik vid UNC School of Medicine, och Peter Wills, Ph.D., en docent i biokemi vid University of Auckland, använde avancerade statistiska metoder för att analysera hur moderna translationella molekyler passar ihop för att utföra sitt jobb – kopplar korta sekvenser av genetisk information till proteinbyggstenarna de kodar för.

Forskarnas analys, publiceras i Nukleinsyraforskning , avslöjar tidigare dolda regler genom vilka viktiga translationella molekyler interagerar idag. Forskningen tyder på hur de mycket enklare förfäderna till dessa molekyler började arbeta tillsammans i livets gryning.

"Jag tror att vi har klargjort de underliggande reglerna och den evolutionära historien om genetisk kodning, ", sa Carter. "Det här hade varit olöst i 60 år."

Wills lade till, "De molekylära mönsterparen vi har identifierat kan vara de första som naturen någonsin använde för att överföra information från en form till en annan i levande organismer."

Upptäckten fokuserar på en klöverbladsformad molekyl som kallas transfer-RNA (tRNA), en nyckelspelare inom översättning. Ett tRNA är designat för att bära en enkel proteinbyggsten, känd som en aminosyra, på löpande band för proteinproduktion inom små molekylära fabriker som kallas ribosomer. När en kopia eller "transkript" av en gen som kallas budbärar-RNA (mRNA) kommer ut från cellkärnan och går in i en ribosom, det är bundet till tRNA som bär deras aminosyralaster.

mRNA:t är i huvudsak en sträng av genetiska "bokstäver" som anger instruktioner för att tillverka proteiner, och varje tRNA känner igen en specifik trebokstavssekvens på mRNA:t. Denna sekvens kallas ett "kodon". När tRNA binder till kodonet, ribosomen länkar sin aminosyra till aminosyran som kom före den, förlängning av den växande peptiden. När det är klart, kedjan av aminosyror frigörs som ett nyfött protein.

Proteiner hos människor och de flesta andra livsformer är gjorda av 20 olika aminosyror. Det finns alltså 20 olika typer av tRNA-molekyler, var och en kan länka till en viss aminosyra. Tillsammans med dessa 20 tRNA finns 20 matchande hjälpenzymer som kallas syntetaser (aminoacyl-tRNA-syntetaser), vars jobb det är att ladda deras partners tRNA med rätt aminosyra.

"Du kan tänka på dessa 20 syntetaser och 20 tRNA tillsammans som en molekylär dator som evolutionen har utformat för att få gen-till-protein-översättning att hända, sa Carter.

Biologer har länge varit fascinerade av denna molekylära dator och pusslet om hur den uppstod för miljarder år sedan. På senare år har Carter och Wills har gjort detta pussel till sitt huvudsakliga forskningsfokus. De har visat, till exempel, hur de 20 synteserna, som finns i två strukturellt distinkta klasser om 10 syntetaser, uppstod troligen från bara två enklare, förfäders enzymer.

En liknande klassindelning finns för aminosyror, och Carter och Wills har hävdat att samma klassindelning måste gälla för tRNA. Med andra ord, de föreslår att vid livets gryning på jorden, organismer innehöll bara två typer av tRNA, som skulle ha fungerat med två typer av syntetaser för att utföra gen-till-protein-translation med bara två olika typer av aminosyror.

Tanken är att detta system under eonernas lopp blev allt mer specifikt, som var och en av de ursprungliga tRNA, syntetaser, och aminosyror förstärktes eller förfinades med nya varianter tills det fanns distinkta klasser om 10 i stället för var och en av de två ursprungliga tRNA:erna, syntetaser, och aminosyror.

I deras senaste studie, Carter och Wills undersökte moderna tRNA för bevis på denna uråldriga dualitet. För att göra det analyserade de den övre delen av tRNA-molekylen, känd som acceptorstammen, där partnersyntetaser binder. Deras analys visade att bara tre RNA-baser, eller bokstäver, högst upp på acceptorstammen bär en annars dold kod som specificerar regler som delar in tRNA i två klasser – som exakt motsvarar de två klasserna av syntetaser." Det är helt enkelt kombinationerna av dessa tre baser som avgör vilken klass av syntetas som binder till varje tRNA , sa Carter.

Studien fann utan vidare bevis för ett annat förslag om tRNA. Varje modernt tRNA har i sin nedre ände ett "antikodon" som det använder för att känna igen och hålla fast vid ett komplementärt kodon på ett mRNA. Antikodonet är relativt långt från syntetasbindningsstället, men forskare sedan början av 1990-talet har spekulerat i att tRNA en gång var mycket mindre, kombinera de antikodon- och syntetasbindande regionerna i ett. Wills och Carters analys visar att reglerna förknippade med en av de tre klassbestämmande baserna – bas nummer 2 i den övergripande tRNA-molekylen – effektivt innebär ett spår av antikodonet i en gammal, trunkerad version av tRNA.

"Detta är en helt oväntad bekräftelse på en hypotes som har funnits i nästan 30 år, sa Carter.

Dessa fynd stärker argumentet att det ursprungliga translationssystemet bara hade två primitiva tRNA, motsvarande två syntetaser och två aminosyratyper. När detta system utvecklades för att känna igen och införliva nya aminosyror, nya kombinationer av tRNA-baser i den syntetasbindande regionen skulle ha dykt upp för att hålla jämna steg med den ökande komplexiteten – men på ett sätt som lämnade spår av det ursprungliga arrangemanget.

"Dessa tre klassdefinierande baser i samtida tRNA är som ett medeltida manuskript vars originaltexter har gnuggats ut och ersatts av nyare texter, sa Carter.

Fynden begränsar möjligheterna för ursprunget till genetisk kodning. Dessutom, de begränsar området för framtida experiment som forskare kan utföra för att rekonstruera tidiga versioner av det translationella systemet i laboratoriet – och kanske till och med få detta enkla system att utvecklas till mer komplext, moderna former av samma översättningssystem. Detta skulle ytterligare visa hur livet utvecklades från de enklaste molekylerna till celler och komplexa organismer.