La biologia deve avere fretta. Nel bilanciare velocità e precisione per duplicare il DNA, produrre proteine ​​ed eseguire altri processi, l'evoluzione ha apparentemente determinato che la velocità è una priorità più alta, secondo i ricercatori della Rice University.

Gli scienziati del riso stanno sfidando le ipotesi secondo cui la trascrizione e la traduzione perfettamente accurate sono fondamentali per il successo dei sistemi biologici. Si scopre che alcuni errori qua e là non sono critici finché la grande maggioranza dei biopolimeri prodotti sono corretti.

Un nuovo documento mostra come la natura ha ottimizzato due processi, Replicazione del DNA e traduzione delle proteine, che sono fondamentali per la vita. Analizzando contemporaneamente l'equilibrio tra velocità e precisione, il team di Rice ha stabilito che le velocità di reazione selezionate naturalmente ottimizzano la velocità "fintanto che il livello di errore è tollerabile".

La carta in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze è del borsista postdottorato Rice Kinshuk Banerjee e dei suoi consiglieri, Oleg Igoshin, professore associato di bioingegneria e bioscienze, e Anatoly Kolomeisky, professore di chimica e ingegneria chimica e biomolecolare.

La loro tecnica ha permesso loro di vedere che mentre la correzione degli errori attraverso la correzione di bozze cinetica tende alla velocità, il costo per andare il più veloce possibile a volte potrebbe essere troppo alto.

La correzione cinetica è il processo biochimico che consente agli enzimi, come quelli responsabili della produzione di proteine ​​e DNA, per ottenere una migliore precisione tra substrati chimicamente simili. Le sequenze vengono confrontate con i modelli in più passaggi e vengono approvate o scartate, ma ogni passaggio richiede tempo ed energie e di conseguenza si verificano vari compromessi.

"Ulteriori processi di controllo rallentano il sistema e consumano energia extra, Banerjee ha detto. "Pensate a un sistema di sicurezza aeroportuale che controlli i passeggeri. Maggiore sicurezza (precisione) significa necessità di più personale (energia), con tempi di attesa più lunghi per i passeggeri (minore velocità)."

I ricercatori hanno trovato insoddisfacenti le teorie prevalenti quando si sono interessati a sapere come la natura corregge i suoi errori.

"Non sono mai stato contento del modo in cui le persone guardano ai meccanismi di correzione degli errori biologici perché i loro approcci erano troppo semplificati, " disse Kolomeisky, che studia i meccanismi dei sistemi biologici. "Volevo un quadro più completo, così potremmo guardare sia ai percorsi giusti che a quelli sbagliati per la replica e la traduzione, così come per altri processi.

"Abbiamo sviluppato un potente metodo quantitativo con il quale possiamo calcolare simultaneamente l'errore, velocità e costi energetici, dove i metodi precedenti si concentravano solo sugli errori, " Egli ha detto.

"Abbiamo visto cosa mancava, "aggiunse Igoshin, il cui laboratorio presso la BioScience Research Collaborative di Rice studia la biologia dei sistemi computazionali. "Analizzando contemporaneamente più parametri, possiamo vedere l'interazione tra energia, errore e velocità e determinare dove si verifica l'ottimizzazione."

Anche se la velocità è ancora una priorità, i sistemi biologici sacrificano un po' mettendo a punto la correzione degli errori. I grafici prodotti dai calcoli di Rice mostrano che quando la replicazione proteica è limitata solo di un punto percentuale o due al di sotto della velocità massima, la precisione rimane elevata e il risparmio energetico è significativo.

"Forse non è così sorprendente che la precisione non sia l'unica preoccupazione per il sistema, " ha detto Banerjee. "Ciò che è affascinante è come i sistemi ottimizzino le loro prestazioni mettendo a punto questi obiettivi apparentemente opposti mentre si prendono cura del costo energetico".

Il concetto di velocità contro precisione è già stato esplorato in un sistema molto diverso alla Rice grazie al lavoro dell'informatico Krishna Palem, che hanno creato microprocessori che aumentano la loro efficienza consentendo lievi imperfezioni nei loro calcoli.

"Questo ha tanto senso per la biologia quanto per l'ingegneria, " disse Igoshin. "Una volta che sarai abbastanza preciso, smetti di ottimizzare."