Zellen führen eine Reihe komplizierter Schritte durch, um ihre Sequenz grundlegender DNA-Bausteine in Proteine zu übersetzen, die dann als Arbeitspferde für die lebenswichtigen Funktionen des Lebens dienen. Da viele verschiedene Proteine auf einem einzigen DNA-Strang kodiert sind, verwendet die Zelle Marker, um zu wissen, wann sie mit der Herstellung eines Proteins beginnen und wann sie damit aufhören muss.
In vielen Biologie-Lehrbüchern heißt es, dass der Startmarker, das so genannte Startcodon, immer für eine Verbindung namens Methionin kodiert. William Duax, ein Strukturbiologe an der State University of New York in Buffalo, sagt jedoch, dass neue Forschungsergebnisse seines Teams darauf hindeuten, dass die Lehrbücher falsch sein könnten. Jahrestagung der American Crystallographic Association vom 22. bis 26. Juli in Denver, Colorado, vorstellen.
„Wir haben reichlich Beweise dafür, dass Hunderte der ältesten ribosomalen Proteine immer noch mit einem Valin- oder Leucin-Code beginnen und nicht das Codon für Methionin in der DNA haben“, sagte Duax und bezog sich dabei auf Proteine, die in grundlegenden Zellbestandteilen, den Ribosomen, vorkommen. „Wir haben eindeutige Beweise dafür gefunden, dass die frühesten Spezies auf der Erde immer noch eine primitive Form des genetischen Codes verwenden, die nur aus der Hälfte der standardmäßigen 64 Codons besteht“, sagte er.
Die Ergebnisse stehen im Widerspruch zu einer weit verbreiteten Meinung unter Biologen. „Es gibt erhebliche Fehler in Lehrbüchern. Der universelle Code ist nicht universell, und alle Arten, die heute auf der Erde leben, verwenden nicht einen „in der Zeit eingefrorenen“ Code, wie von Watson und Crick behauptet“, sagte Duax. „Einige grundlegende Annahmen über die Evolution sind falsch“. Duax wies auch darauf hin, dass die Ergebnisse Fragen zu einigen Aspekten einer Hypothese über den Ursprung des Lebens aufwerfen, der so genannten RNA-Welt, die besagt, dass die RNA, die der DNA ähnelt und immer noch in Zellen verwendet wird, das erste genetische Material war.
Duax und sein Team erhielten ihre Ergebnisse, indem sie eine Datenbank durchkämmten, die die Sequenzen von mehr als 90 Millionen Genen enthält. Die Gene kodieren Proteine, und die Forscher setzten neue Techniken ein, um alle Mitglieder jeder Proteinfamilie genau zu identifizieren und sie von allen anderen Familien zu unterscheiden, die seit 3 Milliarden Jahren unverändert geblieben sind.
Das Forscherteam entwickelte Programme, um die vollständige Erfassung und perfekte Ausrichtung von Proteinfamilien mit 25.000 Mitgliedern zu beschleunigen, die alle Arten umfassen, für die Genome bekannt sind. Anhand dieser perfekten Ausrichtungen konnten die Forscher die genaue Position und Funktion der am meisten konservierten Reste in der Ausrichtung ermitteln, d. h. der Proteine, die über einen langen Zeitraum hinweg gleich geblieben sind. Anhand dieser Urproteine fanden die Forscher Beweise dafür, dass die ältesten Proteine nicht auf die übliche Art und Weise beginnen oder viele der anderen Teile der Standardcodes für die Herstellung von Proteinen verwenden.
Vielleicht ebenso überraschend wie die Forschung und ihre Ergebnisse ist die Art und Weise, wie Duax zur Finanzierung seiner Forschung beigetragen hat. Er entwickelte eine dreiwöchige Sommerschule in molekularer Bioinformatik und Evolution für hochmotivierte High-School-Schüler. In den vergangenen sechs Sommern hat er mehr als 220 Schüler darin geschult, den Ursprung und die Evolution der Proteinzusammensetzung und -faltung, aller zellulären Arten und des genetischen Codes nachzuvollziehen.
Die Arbeit von Duax verändert nicht nur die Art und Weise, wie wir die genetische Kodierung betrachten, und schreibt Lehrbücher neu, sondern findet auch Anwendung in Gentherapien, die strukturelle Details von Bakterien ausnutzen, um Therapien zu entwickeln, die selektiv sind und weniger Nebenwirkungen haben.
Der nächste Schritt für das Forschungsteam besteht darin, die Ergebnisse ihrer Arbeit zu veröffentlichen und Feedback von anderen Forschern zu erhalten.
„Einige meiner Studenten sind seit drei Jahren im Programm und sind bereits in der Lage, Manuskripte für die Einreichung in Fachzeitschriften für molekulare Evolution und Strukturwissenschaften vorzubereiten“, so Duax. Doch das Team steht erst am Anfang.