Information

Wie versucht ein Biologe die Struktur der ribosomalen Proteine ​​zu erklären?


Ich habe einen Informatik-Hintergrund und minimale Biologiekenntnisse. Diese Frage wird mir in einem der Biologiekurse gestellt:

Welche Struktur haben ribosomale Proteine, wenn sie aus dem Ribosom isoliert werden?

Ich verstehe (auf hohem Niveau) was ein Protein und ein Ribosom sind. Ich habe über rRNA, ribosomale Proteine, 30er und 50er Untereinheiten gelesen. Das gab mir einen allgemeinen Einblick, aber es beantwortete die Frage nicht speziell. Ich habe auch versucht, einige Bilder dieser Proteine ​​zu googeln, ohne viel Erfolg. Daher möchte ich fragen:

i) Wie lautet die konkrete Antwort auf diese Frage?

ii) Unterscheidet sich die Struktur eines isolierten Proteins davon, Teil eines Ribosoms zu sein?

iii) Was genau muss ich zu seiner Struktur sagen? Sekundär, Tertiär, etwas anderes?

und am wichtigsten

NS) Wie würde ein Biologe versuchen, diese Frage zu beantworten?


Ursprung der Ribosom Baffles Evolutionisten

Abbildung 1. Ein Diagramm eines Ribosoms, das seine enorm komplexe Struktur zeigt. Von Fvoigtsh über WikiCommons.

Einführung

Das Ribosom ist eine makromolekulare Maschine, die von allen lebenden Zellen verwendet wird, sowohl von Prokaryoten wie Bakterien als auch von Eukaryoten, einschließlich aller Wirbeltiere vom Fisch bis zum Menschen. Die Zelle benötigt Ribosomen, um die DNA-Anweisungen in die funktionellen Proteine ​​umzuwandeln, aus denen alles Leben besteht. Eine Zelle kann ohne Ribosomen nicht überleben, von denen jedes Tausende von Teilen enthält, die alle nach genauen Spezifikationen hergestellt und zusammengebaut werden müssen. Jede Sekunde eines jeden Tages produzieren alle lebenden [oder lebenden] Zellen Proteine ​​basierend auf den Informationen, die in ihrer DNA gespeichert sind. Aus diesem Grund kann ein Tier nicht leben, bis alle seine Milliarden von Teilen, einschließlich des Ribosoms, hergestellt und richtig zusammengesetzt sind. Obwohl DNA als „massive Intelligenz“ beschrieben wird. . . an sich [hat] weder eine Zukunft noch eine Gegenwart. DNA ohne eine Zelle, um sie zu erhalten und zu exprimieren, hat keine physiologische Bedeutung.“[1] Die Struktur des Ribosoms, die erst im Jahr 2000 aufgeklärt wurde

zeigten, dass es im Kern immer noch ein Ribozym ist [ein RNA-Molekül, das als Enzym fungieren kann], wobei RNA-Elemente immer noch seine wesentliche Funktion erfüllen und eine Peptidbindung herstellen. Warum ist es dann zu einer so unhandlichen Größe gewachsen und hat so viele Proteine ​​​​in seine Struktur eingebaut? Die Echtzeitbeobachtung seines Zusammenbaus unter physiologischen Bedingungen liefert einige überraschende Antworten.[2]

Diese Leistung zeigte, dass „das Ribosom die komplexeste molekulare Maschine ist, die allen zellulären Lebensformen gemeinsam ist. … Forscher können jetzt den Aufbau der [Ribosom]-Struktur in Echtzeit untersuchen und weitere Einblicke in die Ursprünge der Komplexität“ dieser Maschine gewinnen. [3] Und was sie lernen, hat den Evolutionisten große Kopfschmerzen bereitet. Wenn Sie diese kurze Beschreibung lesen, wie das Ribosomensystem Protein gemäß dem in der DNA enthaltenen Code produziert, wird klar, dass das System erstens nicht als Ribosom funktioniert, bis alle seine Millionen von Teilen vorhanden und richtig zusammengesetzt sind. Dann werde ich die gescheiterten Versuche erklären, die Evolution dieses Systems zu erklären, das in allen lebenden Zellen existieren muss.

Es wird geschätzt, dass menschliche Gene im Durchschnitt 40.000 Basenpaare (bp) lang sind, einschließlich Kontrollsequenzen und Introns. Die Genlängen reichen von 1.480 bp für das Somatostatin-Gen bis über 2.000.000 bp für das Dystrophin-Gen. Die meisten Gene reichen von 300 bis 3.000 bp.[4] Um ein funktionelles Protein herzustellen, müssen die 20 notwendigen Aminosäuren in der Reihenfolge angeordnet werden, die erforderlich ist, um Polypeptidketten zu erzeugen, die sich entsprechend der spezifischen Aminosäurepositionen auf den Aminosäureketten falten.[5] Der tierische Körper besteht hauptsächlich aus Proteinen.

Ribosomale RNA und Ribosomen

Ribosomen sind „extrem komplexe“ Proteinsynthesemaschinen, die als Vorrichtungen für die Peptidkettenmontage dienen, um die richtige Anheftung, Ausrichtung und Sicherung der Aminosäurebausteine ​​sicherzustellen.[6] Die Ribosom besteht aus etwa 50 Proteinen und spezieller RNA, die als ribosomale RNA (rRNA) bezeichnet wird. Ribosomen werden nach der Größe ihrer Untereinheitsteile in Bezug auf Feststoffsedimentationsraten unterschieden. Die Zeit, die ein Partikel benötigt, um sich aus der Lösung abzusetzen, wird als Sedimentationskoeffizient in Svedberg (S)-Einheiten gemessen, wobei 1S = 10 -13 Sekunden ist. Da Svedberg-Einheiten Absetzraten und nicht Partikelgewichte darstellen, sind sie nicht additiv. Zum Beispiel verwenden prokaryontische Ribosomen ein 70S-Ribosom, das aus zwei Teilen besteht, einer großen 50S-Untereinheit und einer kleinen 30S-Untereinheit, während eukaryotische Ribosomen den etwas größeren 80S-Typ verwenden, der aus einer großen 60S- und einer kleinen 40S-Untereinheit besteht. Ribosomen sind alles Metalloenzym abhängig, hauptsächlich von zweiwertigem Magnesium (Mg 2+ -Ion). Das Ribosom enthält enzymatische Proteine ​​und drei verschiedene RNA-Abschnitte, die genau 120, 1.542 und 2.904 Nukleotide lang sind.[7] Die Struktur fungiert als Rahmen, um die Umwandlung des DNA-Basencodes in eine Reihe von Aminosäureketten zu kontrollieren, ein Prozess namens Übersetzung.

Das RNA-Molekül ist dem DNA-Molekül sehr ähnlich, hat aber ein Ribose-Zucker-Rückgrat und verwendet die Uracil-Base anstelle von Thymin. Eine Art von RNA namens Bote RNA (mRNA) trägt den auf einem DNA-Molekül gespeicherten Code zu den Protein-Produktionsstätten auf die Ribosomen. Die mRNA hat normalerweise eine Länge von etwa 70 bis mehrere tausend Nukleotide. Die Halbwertszeit der mRNA beträgt nur etwa 1 bis 5 Minuten, was zur Kontrolle der Proteinproduktion beiträgt.[8] Aufgrund dieser kurzen Halbwertszeit ist etwa die Hälfte aller synthetisierten RNA mRNA, besteht jedoch zu jedem Zeitpunkt nur aus drei Prozent zellulärer RNA.

Abbildung 2. Ein Cartoon-Diagramm des Ribosoms in Aktion.

Die DNA-Länge reicht je nach Organismus von mehreren Tausend bis etwa einer Milliarde Nukleotiden. Beim Menschen beträgt die Gesamtnukleotidlänge drei Milliarden bp. Bakterien enthalten mehrere Millionen DNA-Nukleotide, einfachere Eukaryoten wie Pilze enthalten eine halbe Milliarde und einige Blütenpflanzen enthalten mehrere Hundert Milliarden.[9]

Das Ribosom muss auch den richtigen Abschnitt auf der mRNA finden, um mit der Translation zu beginnen. Bei Prokaryoten ist diese Stelle durch eine Reihe von Basen gekennzeichnet, die als bezeichnet werden Glanz-Dalgarno Reihenfolge die sich etwa zehn Basen stromaufwärts von der Initiationsstelle befindet. Die Initiationsstelle beginnt an der ersten nachfolgenden AUG-Sequenz, die aus den DNA-Basen hergestellt wird EINdenin, Uracil und guanin. Die AUG-Sequenz ist die Anfang codon aber auch für die Aminosäure Methionin kodiert. Bei Eukaryoten beginnt die Initiation normalerweise mit der ersten AUG-Sequenz auf der mRNA, ist aber a einfacher System als in den Prokaryoten verwendet die Gegenteil was die Evolution vorhersagt! Das Methionin, für das AUG kodiert, muss normalerweise aus dem Polypeptid entfernt werden, bevor die Kette vervollständigt wird.

Bei Prokaryoten benötigt das Ribosom zum Binden drei Einleitung Faktoren mit IF-1, IF-2 und IF-3 bezeichnet. IF-1 und IF-2 binden an die ribosomale 30S-Untereinheit. Dann schließt sich die größere Untereinheit an und dieser Komplex muss dann an eine tRNA binden (Transfer-RNA), der Methionin trägt, dann an ein IF-2-Molekül und an das mRNA-Molekül an der Initiationsstelle bindet. Das eukaryotische System ist komplexer und umfasst bis zu zehn oder mehr Initiationsfaktoren. Schließlich bindet die 50S-Untereinheit an die RNA, wodurch IF-1, -2 und -3 abfallen.[10]

Abbildung 3. tRNA zeigt die Hefe-Eukaryot-Aminosäurestruktur und das vierarmige Design von oben gesehen.

Die mRNA bindet zuerst an die kleinere Ribosomen-Untereinheit, dann wird die erste tRNA mit dem Code abgeglichen. Als nächstes verbindet sich die größere Ribosomen-Untereinheit mit der kleineren, und die zweite tRNA bindet sich mit ihrem passenden mRNA-Code. Während die mRNA durch das Ribosom gleitet, ordnet die tRNA die Aminosäuren entsprechend der Codon- und Anticodon-Übereinstimmung an. Das Anticodon ist komplementär zu einem der Codons der Aminosäure, die es trägt. Der nächste Schritt erfordert ein tRNA-Molekül, das mit einem Verlängerung Faktor TU Protein (EF-TU), um seine richtige Aminosäure zu tragen, um an das Ribosom zu binden.

Transfer-RNA (tRNA)

Die tRNA ist ein RNA-Einzelstrang zwischen 73 und 93 Nukleotidabschnitten, der sich in sich selbst zurückfaltet, sodass seine Basen Wasserstoffbrücken bilden können, um die für seine Funktion in der Zelle erforderliche Form zu bilden.[11] Wie Proteine ​​faltet sich die tRNA, um die erforderliche dreidimensionale Form zu erzeugen, und wird daher manchmal humorvoll als eine RNA bezeichnet, die ein Protein sein wollte.

Die tRNA dient dazu, die in der Nähe schwebenden Aminosäuren auf die wachsende Polypeptidkette zu übertragen. Eine typische eukaryotische Zelle enthält bis zu 100 verschiedene tRNAs, die bis zu 15 Gewichtsprozent der gesamten zellulären RNA ausmachen. Mindestens zwanzig tRNAs existieren, eine für jede Aminosäure. Somit tRNA ach so trägt nur Alanin, usw.

Die Kleeblatt-Sekundärstruktur der tRNA hat vier Arme plus einen Akzeptorstamm. Das Akzeptorende besteht immer aus den Basen CCA (Cytosin, Cytosin, Alanin). Die Anticodon-Schleife besitzt immer sieben Nukleotidreste. Die Anlagerung von Aminosäuren an die tRNA erfordert Energie über eine Reaktion, die von spezifischen Enzymen namens . katalysiert wird Aminoacyl-tRNA Synthetasen, oft angerufen amino Acyl-tRNA Ligasen. Die Spaltung von ATP erzeugt AMP plus PPi. Um die Aminosäure an ihre tRNA zu binden, ist auch eine spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase erforderlich, und folglich müssen alle Zellen mindestens eine Aminoacyl-tRNA-Synthetase enthalten für jeden der 20 Proteinaminosäuren. Es erkennt selektiv sowohl eine spezifische Aminosäure als auch eine spezifische tRNA, an die diese Aminosäure angehängt werden sollte. Auch Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Moleküle sind große, sehr komplexe Strukturen, wie die meisten hier beschriebenen Verfahrenskomponenten. Ein tRNA-Molekül, an das eine Aminosäure gebunden ist, ist berechnet (chemisch gebunden) oder aminoacyliert. Wenn seine Aminosäure freigesetzt wird, ist es ungeladen.

Die Aminoacyl-tRNA Synthetasen machen selten einen Fehler, aber wenn einer auftritt, erkennt das System oft den Fehler und katalysiert die hydraulische Entfernung der falsch platzierten Aminosäure, einen Prozess namens Korrekturlesen.[12] Aminosäuren werden zunächst an die tRNAs durch eine Esterbindung entweder an der zwei- oder dreistufigen Position des Riboserests innerhalb des dreistufigen terminalen Nukleotidrests angehängt.

Als nächstes a Peptidbindung bildet sich zwischen den beiden Aminosäuren, die von den beiden tRNAs gehalten werden, teilweise aufgrund der Reaktion der hochenergetischen Bindung zwischen der aktivierten Aminosäure und der aufgrund von ATP gebildeten tRNA. Die größere ribosomale Untereinheit enthält auch die für die Peptidbindungsbildung erforderlichen Enzyme. Jede hinzugefügte Aminosäure ist mit der Kette verbunden durch Austrocknung Synthese. Dann wird die Bindung zwischen der ersten tRNA und ihrer Aminosäure gespalten, und die zweite tRNA wandert dann in die Ribosomenstelle, die zuvor von der ersten tRNA besetzt wurde. Als nächstes bewegt sich das Ribosom genau drei Nukleotide nach unten, ein Schritt erfordert ein Protein namens Dehnungsfaktor-G (EF-G).

Die tRNA-Struktur verwendet auch einige leicht modifizierte Basen wie Inosin. Die Basen werden modifiziert, nachdem der tRNA-Strang durch spezielle Enzyme wie Methylasen, Desaminasen, Thiolasen, pseudourydylierende Enzyme und Transglycosylasen hergestellt wurde.[13] Die richtige Aminosäure bindet sich mit Hilfe von Enzymen, die als bezeichnet werden, an ihre Partner-tRNA tRNA Synthetasen Energie aus ATP nutzen.

Jeder tRNA-Typ erfordert eine spezifische tRNA-Synthetase und mindestens zwanzig verschiedene Enzym-tRNA-Synthetasen, um zu existieren. Sie funktionieren, indem zuerst ein ATP an einem Schlitz des Enzyms andockt, dann dockt eine Aminosäure in der Nähe an und wird „aufgeladen“, indem das ATP zwei seiner Phosphate verliert. Die energetisierte Aminosäure kann nun an die richtige tRNA binden, sodass die richtige Stelle am 3’-Ende der tRNA binden kann.[14] Für jede der 20 Aminosäuren existiert mindestens ein tRNA-Molekül.

Gleichzeitig wird dann die Bindung zwischen der tRNA und ihrer Aminosäure durch Hydrolyse. Schließlich schwimmt die leere tRNA davon, um zu sein aufgeladen so kann es noch eine weitere Aminosäure tragen, die an die wachsende Peptidkette gebunden werden soll. Die mRNA wird normalerweise von mehr als einem Ribosom (genannt a Polysom oder Polyribosom für freie Ribosomen) gleichzeitig aus Effizienzgründen. Dadurch können mehr Proteine ​​aus einer einzigen mRNA hergestellt werden, bevor sie abgebaut wird. Die Proteinsynthese schreitet oft mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 Aminosäuren pro Sekunde voran. Dieser Vorgang läuft ab, bis eines der drei Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) erreicht ist und sich die beiden Teile des Ribosoms trennen und die Boten-rRNA abtropfen. Die Translation stoppt, wenn die Stoppcodes erreicht sind, da für diese drei Codes keine tRNA existiert, an die ein Anticodon binden kann. Ein Protein namens a loslassen Faktor konkurriert um ein mRNA-Basenpaar, bindet aber nicht, wenn eine tRNA um ein Codon-Triplikat existiert.

Der Releasing-Faktor führt zur Hydrolyse der Esterbindung zwischen der tRNA und der Polypeptidkette, wodurch das fertige Polypeptid freigesetzt wird.[15] Es erfährt dann oft posttranslationale Modifikationen, wie die Zugabe von Zuckern, die als bezeichnet werden Glykosylierung oder Hydroxylierung, die Addition von Hydroxylgruppen, um Hydroxyprolin bzw. Hydroxylysin zu bilden. Schließlich durchlaufen die Proteinketten eine Faltung, wie oben diskutiert. Die mRNA selbst wird schließlich von einer Ribonuklease abgebaut und ihre Teile, meist Nukleotide, werden zu neuen RNA-Strängen recycelt. Die Zelle verwendet dieses System als eine Möglichkeit, eine strenge Kontrolle der Proteinsynthese zu erreichen. Gross fügt das hinzu

Viele Proteine ​​sind auf molekulare Chaperone angewiesen, um Fehlfaltungen und Aggregationen zu vermeiden. Da der Prozess der RNA-Faltung und des Ribosomenaufbaus noch komplexer und fehleranfälliger ist, ist es vernünftig zu erwarten, dass er im [Ribosom] in der Zelle ähnlich unterstützt wird.[16]

So macht die neue Forschung, die Gross beschreibt, den oben beschriebenen Prozess nur noch komplizierter.

Der erbärmliche Versuch der Evolutionisten, das eben beschriebene System zu erklären

Dies ist nur ein kurzer Überblick über einige der wichtigsten Schritte, die erforderlich sind, um Protein aus den DNA-Anweisungen herzustellen. Das System wird nicht funktionieren und das Leben wird nicht überleben, bis alle der oben beschriebenen Teile oder deren Gegenstücke und viele mehr existieren und werden innerhalb sehr enger Toleranzen gebaut. Evolutionisten haben keine Ahnung, wie sich dieses komplexe System als funktionale Einheit entwickelt haben könnte. Ein neuer Versuch wird nun überprüft.[17] Die Evolutionsgeschichte lautet:

Eines Tages, vor mehr als drei Milliarden Jahren, entstand ein RNA-Katalysator, der Aminosäuren zu einer Peptidbindung verbinden konnte. Dieser katalytische Funke bereitete die Bühne für die Arbeitsteilung zwischen Nukleinsäuren und Proteinen, die das heutige Leben bestimmt. Im Laufe der Evolution führte es auch zum komplexesten molekularen Apparat in Zellen – dem Ribosom.[18]

Die wesentliche Schlussfolgerung der neuen Forschung ist, dass, da Ribosomen in Schnitten hergestellt werden, die Schnitte zunächst unabhängig voneinander entstanden sind und eine Enzymfunktion erfüllen und erst später zum modernen Ribosom zusammengefügt wurden. Somit erfüllten die Ribosomenteile nur katalytische Funktionen, bis sie zusammenkamen, um als Ribosom zu fungieren. Das Problem ist, dass die Zelle nicht leben könnte, bis die Ribosomenabschnitte zusammengesetzt sind. Die Ribosomen würden ohne all die anderen notwendigen Teile des Systems keine Funktion erfüllen, einschließlich DNA, RNA, tRNA, mRNA und die Tausenden anderer benötigter Teile. Darüber hinaus schafft diese neue Entdeckung, die Gross beschreibt, weitere Probleme für die Evolution, nämlich jede Domäne des Ribosoms muss sich falten und zusammenbauen

sequentiell, da die RNA von der RNA-Polymerase produziert wird. Dieser allmähliche Aufbau von Strukturen kann in gewissem Maße bei den Problemen helfen. Einige wichtige Wechselwirkungen bei der RNA-Faltung finden jedoch zwischen weit voneinander entfernten Nukleotiden in der Sequenz statt, so dass immer noch das Risiko einer Fehlfaltung besteht, während ein bestimmtes Nukleotid darauf wartet, dass sein beabsichtigter Bindungspartner auftaucht.[19]

Bis sein Bindungspartner auftaucht und sich mit dem vorhandenen Teil verbindet, um ein funktionsfähiges Ribosom zu bilden, muss der Zelle ein weiteres System hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass die erforderlichen Teile gleichzeitig hergestellt, an die richtige Stelle zum Zusammenbau geschickt und in der richtigen Ausrichtung ausgerichtet werden für die Montage bis die Verklebung erfolgt, erfordert a Neu Satz von Spezifisch Enzyme, um die Bindung herzustellen. Dieses Problem ist verwirrend zu beschreiben, konnte aber im wirklichen Leben nicht auftreten. Alle Teile müssen existieren und als eine Einheit funktionieren, damit Leben existieren kann, und die Teilmontage, die zusammenkommt, um eine funktionelle Ribosomenidee zu erzeugen, scheitert.

Schlussfolgerungen

Neue Forschungen in Biochemie und Zellbiologie schaffen ständig neue Probleme für die Evolution. Zusätzlich zu den oben erwähnten natürlichen Selektionshürden haben Forschungsgruppen unter der Leitung von André Schneider von der Universität Bern und Nenad Ban von der ETH Zürich

haben den Aufbau von mitochondrialen Ribosomen in Parasiten untersucht Trypanosoma brucei, die beim Menschen Schlafkrankheit verursacht [Wissenschaft (2019) 365:1144-1149]. Sein Ribosom ist bemerkenswert anders von der bakteriellen Version, da sie enthält viele weitere Proteine und eine reduzierte Länge der RNA-Stränge.[20]

Der Chemieforscher und Wissenschaftsjournalist Michael L. Gross bemerkte, dass diese Forschung nicht zu übertreffen ist

die gemeinsame Wurzel konventioneller phylogenetischer Bäume, der letzte universelle zelluläre Vorfahre (LUCA). Das sagt uns die Phylogenie LUCA besaß bereits einen komplexen Translationsapparat, ähnlich dem, der noch in Bakterien existiert. Unter der Annahme, dass sich dieser angestammte Satz von Molekülen aus Duplikationen eines kleineren Satzes entwickelt hat, hat die Erforschung von tRNA-Synthetasen beispielsweise zu tieferen Wurzeln jenseits von LUCA geführt, wobei nur zwei verschiedene Synthetasen als Vorfahren der heutigen Vielfalt gelten.

Mit anderen Worten, das LUCA sieht dem in modernen Bakterien sehr ähnlich und verursacht Probleme mit der gängigen Molekül-zum-Mensch-Theorie. Ein wichtiges Element in der von der Wissenschaft fest unterstützten Schöpfungsweltanschauung ist, dass das Leben voll funktionsfähig, vollständig und in all seiner erforderlichen Komplexität lebend geschaffen worden sein muss. aus dem Nichts von nichts.


Verweise

[1] Kornberg, Arthur. 1989. Aus Liebe zu Enzymen. Cambridge, MA: Harvard University Press, p. 316.

[2] Gross, Michael. 2020. „Wie man Komplexität aufbaut.“ Aktuelle Biologie 30(10):R454-456, 18. Mai, p. R454.

[4] Jorde, Lynn B. John C. Carey und Raymond L. White. 1997. Medizinische Genetik. St. Louis, MO: Mosby, p. 39.

[5] Levine, Joseph S. und David Suzuki. 1993. Das Geheimnis des Lebens: Neugestaltung der lebenden Welt.Boston, MA: Wgbh Publishing..

[6] Frank-Kamenetskij, Maxim D. 1993. DNA entwirren. New York, NY: VCH (Verlag Chemie), p. 20.

[7] Behe, Michael J. 1996 Darwins Black Box: Die biochemische Herausforderung der Evolution. New York, NY: Die freie Presse, S. 273.

[8] Zubay, Geoffrey L. William W. Parson und Dennis E. Vance. 1995. Prinzipien der Biochemie. Dubuque, IA.: Wm. C. Brown-Verleger.

[10] Zubay, Geoffrey L., et al., 1995

[11] Mader, Sylvia S. 1993. Biologie. Dubuque, IA: Wm. C. Brown Publishers, p. 256.

[12] Bergmann, Jerry. 2005. "Das Mutationsreparatursystem: Ein großes Problem für die Makroevolution." CRSQ 41(4):265-273, März.

[13] Zubay, Geoffrey L., et al., 1995.

[14] Hoagland, Mahlon B. und Bert Dodson. 1995. So funktioniert das Leben. New York, NY: Random House, S. 114-115.

[15] Singleton, Paul und Diana Sainsbury. 1994. Wörterbuch für Mikrobiologie und Molekularbiologie, 2. Aufl. New York, NY: John Wiley & Sons, p. 712.

[20] Brutto, 2020, p. R455. Betonung hinzugefügt.

/>Dr. Jerry Bergman lehrt seit über 40 Jahren Biologie, Genetik, Chemie, Biochemie, Anthropologie, Geologie und Mikrobiologie an mehreren Colleges und Universitäten, darunter der Bowling Green State University, dem Medical College of Ohio, wo er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in experimenteller Pathologie tätig war, und der University von Toledo. Er ist Absolvent des Medical College of Ohio, der Wayne State University in Detroit, der University of Toledo und der Bowling Green State University. Er hat über 1.300 Publikationen in 12 Sprachen und 40 Bücher und Monographien. Seine Bücher und Lehrbücher, die Kapitel enthalten, die er verfasst hat, befinden sich in über 1.500 Hochschulbibliotheken in 27 Ländern. Bisher sind über 80.000 Exemplare der 40 Bücher und Monographien, die er verfasst oder mitverfasst hat, im Druck. Weitere Artikel von Dr. Bergman finden Sie in seinem Autorenprofil.


Abstrakt

Historisch wurde das Ribosom als komplexes Ribozym mit konstitutiver anstatt intrinsischer Regulationsfähigkeit bei der mRNA-Translation angesehen. Neuere Studien zeigen jedoch, dass die Ribosomenaktivität stark reguliert werden kann. Heterogenität in der Ribosomenzusammensetzung aufgrund der unterschiedlichen Expression und posttranslationalen Modifikationen ribosomaler Proteine, der Diversität der ribosomalen RNA (rRNA) und der Aktivität von Ribosomen-assoziierten Faktoren können "spezialisierte Ribosomen" erzeugen, die einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie das genomische Template ins translatiert wird funktionelle Proteine. Darüber hinaus können konstitutive Komponenten des Ribosoms aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit spezifischen mRNA-Regulationselementen wie internen Ribosomen-Eintrittsstellen (IRESs) oder stromaufwärts gelegenen offenen Leserastern (uORFs) auch spezialisiertere Aktivitäten ausüben. Hier diskutieren wir die Hypothese, dass die intrinsische Regulation durch das Ribosom dazu dient, selektiv Untergruppen von mRNAs zu translatieren, die einzigartige cis-regulatorische Elemente, wodurch eine zusätzliche Regulierungsebene für die Genexpression und das Leben eines Organismus eingeführt wird.


Ribosom

Schneller Blick:
Ein Ribosom fungiert als Mikromaschine zur Herstellung von Proteinen. Ribosomen bestehen aus speziellen Proteinen und Nukleinsäuren. Die ÜBERSETZUNG von Informationen und die Verknüpfung von AMINOSÄUREN sind das Herzstück des Proteinproduktionsprozesses.
Ein Ribosom, das aus zwei miteinander verbundenen Untereinheiten gebildet wird, hat folgende Funktionen: (1) Übersetzen kodierter Informationen aus dem Zellkern, die von Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) bereitgestellt werden, (2) Verknüpfen ausgewählter und aus dem Zytoplasma gesammelter Aminosäuren durch Transfer von Ribonukleinsäure ( tRNA). (Die Reihenfolge, in der die Aminosäuren miteinander verknüpft sind, wird durch die mRNA bestimmt) und (3) Exportieren des produzierten Polypeptids in das Zytoplasma, wo es ein funktionelles Protein bildet.

Ribosomen werden im Zytoplasma ‘frei’ gefunden oder an das endoplasmatische Retikulum (ER) gebunden, um ein raues ER zu bilden. In einer Säugetierzelle kann es bis zu 10 Millionen Ribosomen geben. An denselben mRNA-Strang können mehrere Ribosomen angehängt werden, diese Struktur wird als Polysom ​​bezeichnet. Ribosomen haben nur eine vorübergehende Existenz. Wenn sie ein Polypeptid synthetisiert haben, trennen sich die beiden Untereinheiten und werden entweder wiederverwendet oder aufgebrochen.

Ribosomen können mit einer Geschwindigkeit von 200 pro Minute Aminosäuren verbinden. Kleine Proteine ​​können daher relativ schnell hergestellt werden, aber für größere Proteine ​​wie das massive Muskelprotein Titin mit 30.000 Aminosäuren werden zwei bis drei Stunden benötigt.

Ribosomen in Prokaryoten verwenden einen etwas anderen Prozess zur Herstellung von Proteinen als Ribosomen in Eukaryoten. Glücklicherweise bietet dieser Unterschied ein Fenster mit molekularen Möglichkeiten für einen Angriff durch Antibiotika wie Streptomycin. Leider verwenden es auch einige bakterielle Toxine und das Poliovirus, um den Translationsmechanismus anzugreifen.

Für ein Übersichtsdiagramm der Proteinproduktion klicken Sie hier.
(Das Diagramm öffnet sich in einem separaten Fenster)

Dies ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die einen Teil des rauen endoplasmatischen Retikulums in einer Pflanzenwurzelzelle aus Mais zeigt. Die dunklen Flecken sind Ribosomen.

(mit freundlicher Genehmigung von Chris Hawes, The Research School of Biology & Molecular Sciences, Oxford Brookes University, Oxford, UK)

Ein längerer Blick auf Ribosomen:

Ribosomen sind makromolekulare Produktionseinheiten. Sie bestehen aus ribosomalen Proteinen (Riboproteinen) und Ribonukleinsäuren (Ribonukleoproteinen). Das Wort Ribosom entsteht aus der Einnahme vonribo“ aus Ribonukleinsäure und Hinzufügen zu „soma“, das lateinische Wort für Körper. Ribosomen können durch eine oder mehrere Membranen gebunden sein, sind aber nicht membranös.

Ribosom: eine Mikromaschine zur Herstellung von Proteinen
Ein Ribosom ist im Grunde eine sehr komplizierte, aber elegante Mikro-„Maschine“ zur Herstellung von Proteinen. Jedes vollständige Ribosom ist aus zwei Untereinheiten aufgebaut. Ein eukaryotisches Ribosom besteht aus Nukleinsäuren und etwa 80 Proteinen und hat eine Molekülmasse von etwa 4.200.000 Da. Etwa zwei Drittel dieser Masse bestehen aus ribosomaler RNA und ein Drittel aus etwa 50+ verschiedenen ribosomalen Proteinen.

Ribosomen kommen in prokaryontischen und eukaryontischen Zellen in Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien vor. Die in Prokaryoten gefundenen sind im Allgemeinen kleiner als die in Eukaryoten. Ribosomen in Mitochondrien und Chloroplasten haben eine ähnliche Größe wie in Bakterien. Es gibt etwa 10 Milliarden Proteinmoleküle in einer Säugetierzelle und Ribosomen produzieren die meisten davon. Eine schnell wachsende Säugerzelle kann etwa 10 Millionen Ribosomen enthalten. [Eine einzelne Zelle von E. coli enthält etwa 20.000 Ribosomen und dies macht etwa 25 % der gesamten Zellmasse aus].

Die Proteine ​​und Nukleinsäuren, die die Ribosomen-Untereinheiten bilden, werden im Nukleolus hergestellt und durch Kernporen in das Zytoplasma exportiert. Die beiden Untereinheiten sind ungleich groß und existieren in diesem Zustand, bis sie zur Verwendung benötigt werden. Die größere Untereinheit ist etwa doppelt so groß wie die kleinere.

Die größere Untereinheit hat hauptsächlich eine katalytische Funktion, die kleinere Untereinheit hauptsächlich eine dekodierende. In der großen Untereinheit übernimmt ribosomale RNA die Funktion eines Enzyms und wird als Ribozym bezeichnet. Die kleinere Einheit verbindet sich mit mRNA und bindet dann an eine größere Untereinheit. Einmal gebildete Ribosomen sind keine statischen Einheiten. Wenn die Produktion eines bestimmten Proteins beendet ist, trennen sich die beiden Untereinheiten und werden dann normalerweise abgebaut. Ribosomen haben nur eine vorübergehende Existenz.

Manchmal lassen Ribosomen-Untereinheiten mRNA zu, sobald die mRNA aus dem Zellkern austritt. Wenn viele Ribosomen dies tun, wird die Struktur als Polysom ​​bezeichnet. Ribosomen können im Zytoplasma in einem „freien“ Zustand funktionieren, sie können sich aber auch auf dem endoplasmatischen Retikulum „ansiedeln“, um ein „raues endoplasmatisches Retikulum“ zu bilden. Bei rauem endoplasmatischen Retikulum erleichtert die Assoziation zwischen Ribosom und endoplasmatischem Retikulum (ER) die Weiterverarbeitung und Überprüfung neu gebildeter Proteine ​​durch das ER.

Die Proteinfabrik: Standort und Dienstleistungen.

Alle Fabriken benötigen Dienstleistungen wie Gas, Wasser, Entwässerung und Kommunikation. Damit diese bereitgestellt werden können, muss ein Standort oder Standort vorhanden sein.

Die Proteinproduktion braucht auch Serviceanforderungen. Eine Stelle, die die Bereitstellung von Diensten erfordert, wird in einer kleinen Ribosomen-Untereinheit erzeugt, wenn ein mRNA-Strang durch einen selektiven Spalt und ein Initiator-tRNA-Strang durch einen anderen eintritt. Diese Aktion bewirkt, dass sich die kleine Untereinheit an eine große Untereinheit des Ribosoms bindet, um ein vollständiges und aktives Ribosom zu bilden. Der erstaunliche Prozess der Proteinproduktion kann jetzt beginnen.

Damit Translation und Proteinsynthese stattfinden können, sind viele Initiator- und Freisetzungschemikalien beteiligt, und es finden viele Reaktionen unter Verwendung von Enzymen statt. Es gibt jedoch allgemeine Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Die folgende Liste zeigt die wichtigsten Anforderungen und wie sie bereitgestellt werden:

  • Erfordernis: Eine sichere (kontaminationsfreie) und geeignete Anlage für den Proteinproduktionsprozess.
  • Bestimmung: diese Einrichtung wird von den beiden ribosomalen Untereinheiten bereitgestellt. Wenn die beiden Untereinheiten zusammenschließen, um das vollständige Ribosom zu bilden, können Moleküle ein- und austreten nur durch selektive Spalten oder Tunnel in der Molekülstruktur.
  • Erfordernis: Ein Informationsangebot in einer Form, die das Ribosom mit hoher Genauigkeit übersetzen kann. Die Translation muss genau sein, damit die richtigen Proteine ​​produziert werden.
  • Bestimmung: Die Informationen werden vom Kern geliefert und in Form eines mRNA-Strangs an das Ribosom geliefert. Wenn mRNA im Kern gebildet wird, werden Introns (nicht kodierende Abschnitte) herausgeschnitten und Exons (kodierende Abschnitte) durch einen Prozess namens Spleißen miteinander verbunden.
  • Erfordernis: Ein Vorrat an Aminosäuren, aus dem der ribosomale Mechanismus die spezifischen benötigten Aminosäuren gewinnen kann.
  • Bestimmung: Aminosäuren, die hauptsächlich über die Nahrung zugeführt werden, sind im Zytoplasma normalerweise frei verfügbar.
  • Erfordernis: Ein System, das eine Aminosäure im Zytoplasma selektieren und daran ankoppeln und sie an die Translations- und Synthesestelle im Ribosom abgeben kann.
  • Bestimmung: Kurze Stränge von Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA), die im Zellkern hergestellt und im Zytoplasma verfügbar sind, fungieren als „Adapterwerkzeuge“. Wenn sich ein tRNA-Strang an eine Aminosäure gebunden hat, wird die tRNA als „geladen“ bezeichnet. tRNA diffundiert in die kleinere Ribosomen-Untereinheit und jeder kurze tRNA-Strang liefert EINER Aminosäure.
  • Erfordernis: Ein Mittel zur Freisetzung in das Zytoplasma: (ein) ein neu gebildetes Polypeptid, (B) mRNA, die beim Translationsprozess verwendet wurde, und (C) tRNA, die die darin enthaltene Aminosäure geliefert hat und nun „ungeladen“ ist.
  • Bereitstellung: (a) Wenn eine neu gebildete Peptidkette tief im Inneren der großen Untereinheit des Ribosoms gebildet wird, wird sie entlang eines Tunnels oder einer Spalte in das Zytoplasma geleitet. (B) „Gebrauchte“ mRNA verlässt die kleinere Ribosomen-Untereinheit durch einen Tunnel auf der dem Eintrittspunkt gegenüberliegenden Seite. Die Bewegung durch das Ribosom wird durch eine nur in eine Richtung gerichtete, intermittierende Bewegung des Ribosoms entlang und in Richtung des ankommenden mRNA-Strangs bewirkt. (C) tRNA im „ungeladenen“ Zustand verlässt über einen Tunnel in der molekularen Architektur der großen Untereinheit des Ribosoms.

Die Proteinfabrik: Was passiert im Inneren?
– Ein Blick auf die Proteinproduktionslinie, die Aminosäuren mit einer Geschwindigkeit von 200 pro Minute verbinden kann!

Nachdem wir nun die Voraussetzungen und Vorkehrungen für den Betrieb der Proteinproduktionsmaschine bedacht haben, können wir uns das Innenleben ansehen.

Wie bereits erwähnt, finden viele detaillierte biochemische Reaktionen im Ribosom statt, und hier wird nur ein kurzer Überblick gegeben, um das Konzept zu veranschaulichen.
(Siehe auch „Schema des Ribosoms“ am Ende des Abschnitts)

Im Ribosom gibt es DREI STUFEN und DREI Betriebsstätten, die an der Proteinproduktionslinie beteiligt sind.

Die Drei STUFEN sind (1) Initiierung, (2) Verlängerung und (3) Beendigung.

Die drei operativen oder verbindlichen SEITEN sind A, P und E Lesen von der mRNA-Eintrittsstelle (konventionell die rechte Seite).

Standorte A und P überspannen beide Ribosomen-Untereinheiten, wobei ein größerer Teil in der großen Ribosomen-Untereinheit und ein kleinerer Teil in der kleineren Untereinheit residiert. Standort E, die Austrittsstelle, befindet sich in der großen Ribosomen-Untereinheit.

Tabelle der Bindungsstellen, Positionen und Funktionen in einem Ribosom
(siehe auch schematisches Ribosom am Ende des Abschnitts)

Bindungsseite

Eintrittsstelle des mRNA-Strangs

Biologischer Begriff

Hauptprozesse

Aufnahme des Codons der mRNA und des „geladenen“ Strangs der tRNA. Überprüfung und Dekodierung und Beginn der „Übergabe“ eines Aminosäuremoleküls

Peptidsynthese, Konsolidierung, Verlängerung und Übertragung der Peptidkette an die Stelle A

SiTe E

Vorbereitung „ungeladener“ tRNA für den Austritt

Die drei Phasen:

  1. Einleitung. Während dieser Phase verbindet sich eine kleine Ribosomen-Untereinheit mit dem „Startende“ eines mRNA-Strangs. Auch die „Initiator-tRNA“ dringt in die kleine Untereinheit ein. Dieser Komplex verbindet sich dann mit einer großen Untereinheit des Ribosoms. Am Anfang des mRNA-Strangs steht die Nachricht „Start Translation“ und ein mit einer bestimmten Aminosäure „beladener“ tRNA-Strang tritt ein Standort A des Ribosoms. Die Produktion eines Polypeptids wurde nun eingeleitet. Damit die tRNA nicht abgewiesen werden kann, muss die Drei-Buchstaben-Codegruppe, die sie trägt (als Anti-Codon bezeichnet), mit der Drei-Buchstaben-Codegruppe (als Codon bezeichnet) bereits auf dem mRNA-Strang übereinstimmen im Ribosom. Dies ist ein sehr wichtiger Teil der Übersetzung und es ist überraschend, wie wenig „Übersetzungsfehler“ auftreten. [Im Allgemeinen wird die bestimmte Aminosäure, die es trägt, durch das Drei-Buchstaben-Anticodon bestimmt, das es trägt, z.B. wenn der Drei-Buchstaben-Code CAG ist (CYtosin, EINdenin, gUanin), dann selektiert und transportiert es die Aminosäure Glutamin (Gln)].
  1. Verlängerung.Dieser Begriff umfasst den Zeitraum zwischen Initiierung und Beendigung und während dieser Zeit wird der Hauptteil des bezeichneten Proteins hergestellt. Der Prozess besteht aus einer Reihe von Zyklen, deren Gesamtzahl durch die mRNA bestimmt wird. Eines der Hauptereignisse während der Dehnung ist Translokation. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich das Ribosom entlang der mRNA um eine Codon-Kerbe und ein neuer Zyklus beginnt Website P (siehe Schema des Ribosoms am Ende des Abschnitts) und das Ribosom wird in Standort A, eine neue tRNA „geladen“ mit einer Aminosäure. Die „geladene“ tRNA befindet sich in Standort A bis es überprüft und akzeptiert (oder abgelehnt) wurde und bis die wachsende Peptidkette an die tRNA in Standort P, wurde von Enzymen auf die „geladene“ tRNA in Standort A. Hier wird eine neue Aminosäure von der tRNA gespendet und an die Peptidkette angehängt. Durch diesen Vorgang wird die Peptidkette in Schritten von einer Aminosäure verlängert. [Die Bildung der Peptidbindung zwischen der wachsenden Peptidkette und der neu aufgenommenen Aminosäure wird durch die Peptidyltransferase unterstützt und findet in der großen Ribosomen-Untereinheit statt. Die Reaktion findet zwischen der tRNA statt, die die entstehende Peptidkette, Peptidyl-tRNA, und der tRNA, die die eingehende Aminosäure, die Aminoacyl-tRNA, trägt]. Wenn dies geschehen ist, wird die tRNA in Standort P, nachdem er seine Peptidkette übertragen hat und jetzt ohne Anhänge ist, wird nach verschoben Standort E die Austrittsstelle. Als nächstes wird die tRNA in Standort A, komplett mit einer um eine Aminosäure verlängerten Peptidkette, bewegt sich nach Website P. In Website P Riboproteine ​​wirken, um die Bindung der Peptidkette an die neu hinzugefügte Aminosäure zu festigen. Wenn die Peptidkette lang ist, wird der älteste Teil in das Zytoplasma verschoben, gefolgt vom Rest der Kette, während er produziert wird.Der nächste Zyklus
    Mit Standort A jetzt leer Translokation stattfinden. Das Ribosom bewegt sich um eine Distanz von einer (drei Buchstaben) Codon-Kerbe entlang der mRNA, um ein neues Codon in den Verarbeitungsbereich zu bringen. tRNA, die mit einer angehängten Aminosäure „geladen“ ist, tritt nun ein Standort A, und vorausgesetzt, dass eine zufriedenstellende Übereinstimmung des mRNA-Codons und des tRNA-Anti-Codons hergestellt wird, beginnt der Zyklus von neuem. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis eine Beendigungsstufe erreicht ist.
  2. Beendigung. Wenn das Ribosom das Ende des mRNA-Strangs erreicht, wird eine terminale oder „Ende des Proteincodes“-Nachricht angezeigt. Dies registriert das Ende der Produktion für das jeweilige Protein, für das dieser mRNA-Strang kodiert. „Freisetzungsfaktor“-Chemikalien verhindern weitere Aminosäurezugaben, und das neue Protein (Polypeptid) wird durch einen Spalt in der großen Untereinheit vollständig in das Zytoplasma transportiert. Die beiden Ribosomen-Untereinheiten lösen sich, trennen sich und werden wiederverwendet oder abgebaut.

  • Fast alle von Zellen benötigten Proteine ​​werden von Ribosomen synthetisiert. Ribosomen werden im Zellzytoplasma „frei“ gefunden und sind auch an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden.
  • Ribosomen erhalten Informationen aus dem Zellkern und Baustoffe aus dem Zytoplasma.
  • Ribosomen Übersetzen Informationen, die in Boten-Ribonukleinsäure (mRNA) kodiert sind.
  • Sie Verknüpfung spezifische Aminosäuren zu Polypeptiden zusammen und exportieren diese in das Zytoplasma.
  • Eine Säugetierzelle kann bis zu 10 Millionen Ribosomen enthalten, aber jedes Ribosom existiert nur vorübergehend.
  • Ribosomen können Aminosäuren mit einer Geschwindigkeit von 200 pro Minute verbinden.
  • Ribosomen entstehen durch das Einrasten einer kleinen Untereinheit an eine große Untereinheit. Die Untereinheiten sind normalerweise im Zytoplasma vorhanden, wobei die größere etwa doppelt so groß ist wie die kleinere.
  • Jedes Ribosom ist ein Komplex von Ribonukleoproteinen, wobei zwei Drittel seiner Masse aus ribosomaler RNA und etwa einem Drittel aus ribosomalem Protein bestehen.
  • Die Proteinproduktion erfolgt in drei Stufen: (1) Einleitung, (2) Verlängerung, und (3) Beendigung.
  • Während der Peptidproduktion bewegt sich das Ribosom entlang der mRNA in einem intermittierenden Prozess namens Translokation.
  • Antibiotika wie Streptomycin können verwendet werden, um den Translationsmechanismus in Prokaryonten anzugreifen. Dies ist sehr nützlich. Leider können dies auch einige bakterielle Toxine und Viren.
  • Nachdem sie das Ribosom verlassen haben, sind die meisten Proteine ​​gefaltet oder in irgendeiner Weise modifiziert. Dies wird als „posttranslationale Modifikation“ bezeichnet.

Ein Übersichtsdiagramm der Proteinproduktion, einschließlich eines Hinweises zur Proteinmodifikation.


Schlussfolgerungen

Ich habe argumentiert, dass die RNA-Welt-Hypothese, auch wenn sie sicherlich unvollkommen ist, das beste Modell ist, das wir derzeit für die frühe Evolution des Lebens haben. Während die Hypothese eine Reihe von Möglichkeiten für das – wenn überhaupt – Vorläufer der RNA nicht ausschließt, hat die Evolution der kodierten Proteinsynthese leider einen Schleier über die bisherige Geschichte der Proteine ​​gelegt. Anders verhält es sich bei nicht-kodierenden RNAs wie ribosomaler RNA und tRNA, da diese sich vor der Evolution der ribosomalen Proteinsynthese replizieren konnten.

Wie bereits erwähnt [5], bietet der Vorschlag, dass sich die RNA-Welt unter sauren Bedingungen entwickelt hat [5, 6] eine plausible Lösung für Charles Kurlands Kritik [57], dass die RNA-Welt-Hypothese keinen Hinweis auf eine mögliche Energiequelle enthält. Wie de Duve [87] feststellte, „wird der weit verbreitete Einsatz der protonenmotorischen Kraft zur Energieübertragung heute in der gesamten lebenden Welt als Erbe einer stark sauren präbiotischen Umgebung erklärt und kann als Hinweis auf die Existenz einer solchen angesehen werden Umwelt“ [87]. Obwohl Russell, Martin und andere [23–26] argumentiert haben, dass Protonen und thermische Gradienten zwischen dem Ausfluss aus heißen alkalischen (pH 9-11) Unterwasser-Hydrothermalquellen und dem umgebenden kühleren, saureren Ozean die ersten Energiequellen darstellen könnten Am Ursprung des Lebens scheint der Mangel an RNA-Stabilität bei alkalischem pH ([5] und Referenzen darin) solche Öffnungen zu einem unwahrscheinlichen Ort für die RNA-Weltentwicklung zu machen.

Obwohl möglich, erscheint es unwahrscheinlich, dass die AC-Basenpaar-„Mismatches“, die in den tRNA-Genen von Ferroplasma acidarmanus und Picrophilus torridus (zwei Arten von Archaebakterien mit einem angeblich sauren internen pH-Wert) [5] gefunden werden, durch die stattfindende C-zu-U-RNA-Editierung korrigiert werden B. mit einigen – aber nicht anderen – pflanzlichen Chloroplasten-tRNAs [88, 89]. Eine solche Bearbeitung von Fehlpaarungen der Sekundärstruktur-AC-Basenpaare wurde bisher in Archaebakterien nicht gefunden, jedoch durchläuft in einer einzelnen Archaeenart (Methanopyrus kandleri) ein in 30 ihrer 34 tRNAs gefundenes Tertiärstruktur-AC-Basenpaar eine C-zu-U-Editierung, katalysiert durch eine Cytidin-Deaminase CDAT8 [90]. M. kandleri ist ein einzigartiger Organismus, der viele „verwaiste“ Proteine ​​enthält. CDAT8, das eine Cytidin-Deaminase-Domäne und eine mutmaßliche RNA-Bindungsdomäne enthält, hat keine Homologe in anderen Arachaeal-Spezies, einschließlich F. acidarmanus und P. torridus (L Randau, pers. commun. [90]). Ein definitiver Beweis, dass die A-C-Basenpaare in diesen beiden Spezies nicht modifiziert sind, würde jedoch natürlich z.B. cDNA-Sequenzierung der tRNAs.


Ribosomen optimiert für Geschwindigkeit und Flexibilität

Die DNA-Translationsmaschinen in der Zelle weisen eine unerwartete Komplexität auf und zwingen Molekularbiologen, ihr Wissen über Ribosomen zu revidieren. Insbesondere erscheinen sie optimiert für die Geschwindigkeit der Selbstvervielfältigung und modularisiert für Flexibilität.

Im vergangenen September haben wir einen faszinierenden Artikel über Ribosomen ausgewertet, der zeigte, wie diese molekulare Maschine, die DNA übersetzt, „die orchestrierte Funktion von Hunderten von Proteinen erfordert“ – und das nur, um das „Prä-Ribosom“-Stadium zu erreichen! Ribosomen sind Wunderwerke der Organisation und Funktion. Seitdem haben weitere Entdeckungen zusätzliche Designmerkmale von Ribosomen gezeigt.

Eine Zelle hat nicht den ganzen Tag Zeit, diese Maschinen zu bauen und zu betreiben. Im Juli eine Zeitung in Wissenschaftliche Fortschritte revidierte die Halbwertszeit von RNAs deutlich nach unten. Anstatt 5-20 Minuten herumzuschweben und übersetzt zu werden, halten die meisten Boten-RNAs (mRNAs) nur etwa 2 Minuten, bevor sie durch komplexe Recyclingwege abgebaut werden (siehe dies von der Universität Basel). Die Produktionsrate und die Zerfallsrate sind wichtige Faktoren bei der Genregulation. Wenn man also wieder an „Orchestrierte Funktion“ denkt, nützen die Noten nichts, wenn die Bühne nicht schon aufgebaut ist und die Spieler nicht auf ihren Plätzen sitzen.

Das Ribosom besteht aus großen RNAs und Proteinen. Das Papier gibt nicht die Halbwertszeit der ribosomalen RNAs an, die den Großteil des Ribosoms ausmachen, aber man kann davon ausgehen, dass die Lebensdauer jeder RNA endlich ist – wahrscheinlich eine Frage von Minuten. Ein weiterer Grund für die Annahme ist die schnelle Verdoppelung der Ribosomen während der Zellteilung. Bevor sich die Zelle teilen kann, müssen alle von den beiden Tochterzellen benötigten Proteine ​​translatiert werden. Diese Anforderung verdoppelt effektiv die Arbeit für diese Maschinen.

Wie bereitet sich die Zelle auf diese erhöhte Arbeitsbelastung vor? Anstatt die Translation zu beschleunigen, duplizieren sich die Ribosomen zunächst selbst, wodurch die Produktionskapazität effektiv verdoppelt wird. Das bedeutet, dass sie zunächst alle ihre eigenen RNAs und Proteine ​​herstellen und zusammenbauen müssen. Ohne effiziente Möglichkeiten, diese Voraussetzung zu erfüllen, könnte die Zellteilung ernsthaft verzögert werden.

Ein interessantes Modell, veröffentlicht in Natur von Johan Paulssons Team in Harvard, schlägt vor, dass „Ribosomen für die autokatalytische Produktion optimiert sind“. Sie wussten, dass Ribosomen bereits auf drei Arten optimiert sind. Jetzt fügen sie eine vierte hinzu:

Viele feinskalige Merkmale von Ribosomen wurden in Bezug auf ihre Funktion erklärt eine molekulare Maschine, die auf Fehlerkorrektur, Geschwindigkeit und Kontrolle optimiert ist. Hier zeigen wir mathematisch, dass viele weniger gut verstandene, großräumigere Merkmale von Ribosomen — sind, z beschleunigen ihre autokatalytische Produktion. [Betonung hinzugefügt.]

Die Autoren werden als Evolutionisten davon ausgehen, dass Darwinsche Prozesse diese Optimierung erreicht haben. In ihren eigenen Worten spüren wir jedoch ihr Erstaunen über die Leistung dieser Maschinen.

Ribosomen übersetzen Nukleinsäuresequenzen in Aminosäuresequenzen. Ihre Eigenschaften werden daher typischerweise in Bezug auf ihre Auswirkungen auf die Übersetzung erklärt. Jedoch, in den letzten Jahren wurde auch deutlich, dass Ribosomen als Produkte der ribosomalen Maschinerie außergewöhnlich sind. Ribosomale Proteine ​​(r-Proteine) machen nicht nur einen großen Teil des Gesamtproteingehalts in vielen Zellen aus, sondern die autokatalytische Natur der Ribosomenproduktion bringt zusätzliche Einschränkungen mit sich. Insbesondere die Ribosomenverdopplungszeitorte eine harte Grenze für die Zellverdopplungszeit, denn für jedes zusätzliche Ribosom, das die Übersetzungslast teilt, muss auch ein weiteres Ribosom gemacht werden. Selbst bei den kleinsten und schnellsten Ribosomen dauert es mindestens 6 Minuten und normalerweise viel länger, bis ein Ribosom einen neuen Satz von r-Proteinen erzeugt (Ergänzende Informationen) und diese Schätzung berücksichtigt nicht den erheblichen Zeitaufwand, der in die Synthese von ternären Komplexen. Diese Grenze scheint die beobachteten Grenzen des Bakterienwachstums zu erklären, denn Ribosomen müssen auch einen Großteil ihrer Zeit damit verbringen, andere Proteine ​​​​zu produzieren, und zeigt, dass Ribosomen unter sehr starker Selektionsdruck, um die Reproduktionszeit zu minimieren.

Ob „selektiver Druck“ erfinderisch ist, ist für uns Darwin-Skeptiker fraglich, aber die Autoren weisen auf etwas Wichtiges hin. Die „orchestrierte Funktion von Hunderten von Proteinen“ ist zeitlich begrenzt. Der Dirigent hämmert mit dem Fuß und klopft mit dem Taktstock auf das Podium, eilt das Orchester auf den Platz. Stellen Sie sich vor, wie viel schwieriger es wäre, wenn jeder Spieler, jedes Instrument, jeder Stuhl und jeder Notenständer zuerst eine Kopie von sich selbst für eine Show in der ganzen Stadt erstellen muss!

Basierend auf beobachteten Fakten über ribosomale RNAs und Proteine ​​und wie schnell sie duplizieren, erstellte das Team ein mathematisches Modell, das auf der Annahme basiert, dass „selektiver Druck“ Zellen zwingt, die Verdopplungszeit ihrer Ribosomen zu optimieren. Obwohl das Modell für sich schnell vermehrende Bakterien funktionierte, gehen sie davon aus, dass der gleiche Zeitdruck eukaryontische Zellen einschränkt:

Ähnliche Prinzipien könnten auch für einige Eukaryoten gelten, da die Ribosomen von Eukaryoten größer und langsamer sind. Eigentlich, sogar Organismen, bei denen die Verdopplungszeiten der Zellen nicht durch die Verdopplungszeiten der Ribosomen begrenzt sind, würden von einer schnelleren Ribosomenproduktion profitieren, die es den Ribosomen ermöglicht, mehr Zeit damit zu verbringen, den Rest des Proteoms zu produzieren. Kürzlich wurde gezeigt, dass diese Effizienzbeschränkung weitreichende physiologische Konsequenzen für Zellen hat, und hier zeigen wir mathematisch, dass sie auch viele weitere Merkmale des Ribosoms erklären könnte (Abb. 1).

In der Abbildung zeigen sie, dass Ribosomen von wenigen großen RNAs und vielen kleinen Proteinen dominiert werden, von denen etwa 55 bis 80 ähnlich groß sind. Der Grund für diese Anordnung hat Molekularbiologen lange Zeit verwirrt. Nach dem neuen Modell können Ribosomen ihre Teile schneller reproduzieren, wenn die Proteine ​​relativ kurz sind und es viele davon gibt. Die vorhandenen Ribosomen können kleinere Bausteine ​​schneller herstellen und die Bauarbeiter können sie schneller zusammenbauen, als wenn sie auf lange, komplexe Teile warten müssten.

Es ist nicht notwendig, ins Unkraut zu gehen, um die Eleganz der Lösung zu sehen. Ribosomen bauen sich schneller mit mehr, kleineren Proteinen zusammen, wodurch die Zeit verkürzt wird, sich selbst zu duplizieren, sodass sie ihrer Hauptaufgabe nachgehen können, alle anderen Proteine ​​zu übersetzen, die die Zelle vor der Teilung benötigt. Je schneller Sie die Übersetzungsmaschinerie verdoppeln, desto schneller können Sie alles andere in der Zelle verdoppeln.

Das Modell muss auch erklären, warum Ribosomen einige große RNAs enthalten. Evolutionisten haben sich typischerweise auf die Geschichte der „RNA-Welt“ berufen, um darauf hinzuweisen, dass ribosomale RNAs Übergangsformen oder Überreste aus dem Ursprung des Lebens darstellen, bevor Zellen Wege zur Herstellung von Proteinen fanden. Paulssons Modell schlägt einen anderen Grund vor – einen funktionalen Grund. RNAs müssen nur transkribiert, nicht translatiert werden. Die enzymatische Aktivität von RNA ist nicht so effizient wie Protein, aber RNA ist schneller herzustellen. Die Zelle ist daher besser dran, sie zu benutzen, wenn die Zeit drängt.

Die obige Analyse legt nahe ein großer Effizienzvorteil der Verwendung von rRNA [ribosomale RNA] über Protein, wann immer chemisch möglich, und könnte auch Erklären Sie, warum Ribosomen der allgemeinen Regel widersprechen, dass Enzyme hauptsächlich aus Proteinen bestehen (Abb. 1). Dieses Ergebnis bedeutet nicht, dass die Rolle der rRNA nur darin besteht, angemessene Gesamtdimensionen des Ribosoms sicherzustellen, es liefert jedoch ein wesentlicher Grund, warum Proteine ​​im Ribosom sparsam eingesetzt werden müssen, zum Beispiel, um die Genauigkeit zu erhöhen oder die Übersetzung zu beschleunigen, wobei rRNA verwendet werden sollte wo immer möglich, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Würde auch nur ein Viertel der rRNA-Masse durch r-Protein ersetzt, ohne die Translationsraten zu erhöhen, könnten sich viele Bakterien nicht so schnell verdoppeln (Abb. 4b).

Sehen Sie Optimierung (eine Form des intelligenten Designs) am Werk? Die Autoren gehen genauer darauf ein, warum rRNAs groß sein müssen. Ihr Modell zeigt, dass kleine rRNAs im Gegensatz zu den kleinen ribosomalen Proteinen die Duplikation tatsächlich verlangsamen würden. Es genügt zu sagen, dass das beobachtete Verhältnis von rRNA zu ribosomalem Protein die Effizienz um zwei Größenordnungen erhöht. Hier ist eine prägnante Analogie aus einer Laienzusammenfassung des Papiers bei Wissenschaft täglich:

“Eine Analogie zu unseren Ergebnissen wäre, an Ribosomen zu denken nicht als Tischlergruppe, die nur viele Häuser baut, sondern als Tischler, die auch andere Tischler bauen,” Paulsson sagte. “Es gibt dann ein Anreiz, den Job in viele kleine aufzuteilen Stücke, die parallel gemacht werden können um schneller einen weiteren kompletten Schreiner zusammenzustellen, um dabei zu helfen.”

Ein weiteres Rätsel um Ribosomen könnte gelöst werden, indem man es als Optimierungsproblem betrachtet: Warum variieren Ribosomen? Mitochondriale Ribosomen unterscheiden sich von denen im Zytosol. Eukaryotische Ribosomen unterscheiden sich von denen von Bakterien. Wenn sie die gleiche Funktion erfüllen, warum sind sie dann nicht alle gleich? Hier ist ein Papier in PLUS EINS vom letzten November, der ein Fenster zu einem möglichen Grund öffnet: Die Ribosomenstruktur ist modularisiert. In „The Modular Adaptive Ribosom“ sagt ein Team aus Indien Folgendes:

Das Ribosom ist eine uralte Maschine, die die gleiche Funktion bei allen Organismen. Obwohl funktionell einheitlich, legen neuere Experimente nahe, dass spezialisierte Rollen für einige ribosomale Proteine. Unsere zentrale These ist, dass ribosomale Proteine ​​modular funktionieren, um genetische Informationen kontextabhängig zu entschlüsseln.

Interessierte Leser können sich weiter mit diesem Open-Access-Artikel befassen, um zu sehen, warum Ribosomen in verschiedenen Zelltypen oder verschiedenen Umgebungen variieren. „Ein klares Beispiel ist Nervengewebe, das ein ribosomales Proteinmodul verwendet, das sich vom Rest des Gewebes sowohl bei Mäusen als auch beim Menschen unterscheidet“, sagen sie. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass eine neuartige Stratifizierung ribosomaler Proteine das könnte bei der Anpassung eine Rolle gespielt haben, vermutlich Optimierung der Übersetzung für die Anpassung an verschiedene ökologische Nischen und Gewebemikroumgebungen.”

Wenn es um Ribosomen geht, scheint es sich um eine Optimierung bis ganz nach unten zu handeln.

Geben wir das letzte Wort an die Wissenschaft täglich Artikel.

Anstatt bloße Relikte einer evolutionären Vergangenheit zu sein, scheinen die ungewöhnlichen Merkmale von Ribosomen daher eine zusätzliche Ebene der funktionellen Optimierung widerzuspiegeln Handeln auf kollektive Eigenschaften seiner Teile, schreibt das Team.

“Während dieser Studie ist Grundlagenwissenschaft, sprechen wir etwas an, das von allem Leben geteilt wird,” Paulsson. “Es ist wichtig, dass wir verstehen, woher die Einschränkungen für Struktur und Funktion kommen, denn wie bei vielen Grundlagenwissenschaften ist es unvorhersehbar, was die Konsequenzen neuen Wissens können in Zukunft freigesetzt werden.”

Beachten Sie, wie dies die Rolle der Evolution trotz der darwinistischen Ansichten der Autoren herunterspielt. Es unterstützt auch, wenn auch nicht beabsichtigt, eine Designperspektive und zeigt gleichzeitig, wie eine solche Fokussierung zu einer produktiven Wissenschaft führt.


Top 25 Biologie-Entdeckungen

Hier sind die Top 25 biologische Entdeckungen aller Zeiten.

Erstes zusammengesetztes Mikroskop.

Das Vater-Sohn-Team aus Middleburg hat zwei Brillengläser übereinander in einen Tubus gesteckt und herausgefunden, dass ein solches Instrument beim Sehen von mikroskopischen Objekten hilft.

  • Einige ihrer Mikroskope hatten sogar drei Linsen und eine beachtliche Vergrößerung, auch wenn die Bilder unscharf waren.
  • Ihre Erfindung hatte einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung der Wissenschaft – ohne das Mikroskop wäre es unmöglich gewesen, kleine Zellen zu untersuchen Tiere, oder Bakterien.

Blutkreislauf bei Tieren.

William Harvey war ein britischer Arzt. Er hat mehrere Sektionen an Hunden durchgeführt.

  • Er hatte seine Experimente auch vor den anderen Chirurgen demonstriert. Harvey hat gezeigt, dass das Blut in zwei Kreisläufen zirkuliert: dem Lungenkreislauf und dem systemischen Kreislauf.
  • Er hat auch Venenklappen entdeckt und festgestellt, dass sich Blut im Körper nur in bestimmte Richtungen bewegen kann.
  • Seine Erkenntnisse hat er in einem Buch mit dem Titel “ . veröffentlichtAnatomische Untersuchung der Bewegung des Herzens und des Blutes bei Tieren“.
  • Zu verstehen, wie unsere Blutgefäße funktionieren, war für die Medizin von entscheidender Bedeutung und Physiologie. Es hat die Behandlungen der Zeit beeinflusst und das Interesse an Anatomie.

Die erste Beschreibung von Zellen.

Robert Hooke war ein versierter Erfinder und Wissenschaftler, Mitglied der Royal Society of London.

  • Er hat das Mikroskop von Janssens verbessert und konnte als erster Mensch in der Geschichte Zellen in Pflanzengewebe beschreiben.
  • Er hat auch viele andere lebenswichtige Strukturen von Pflanzen, Insekten und andere Tiere.
  • Hookes Entdeckungen haben einen Trend zur Verwendung von Mikroskopen für Lebensstudien ausgelöst, der schließlich zu mehreren entscheidenden Entdeckungen geführt hat.
  • Er ist auch zu einem Beispiel für richtige wissenschaftliche Forschung und hochwertiges wissenschaftliches Zeichnen geworden.
  • Es wäre nicht möglich gewesen, die Zelltheorie auch ohne Hookes Entdeckung.

Entdeckung von Mikroorganismen.

Leeuwenhoek hat sein eigenes kleines Mikroskop gebaut und mit seiner Hilfe die Lebensgeschichte von Insekten und mikroskopische Organismen, wie zum Beispiel Protozoen und Bakterien.

  • Er war auch der erste, der zeigte, dass mikroskopische Organismen, die er als Tierchen, waren in Wasser, auf verschiedenen Oberflächen sowie in Lebensmitteln vorhanden.
  • Seine Entdeckungen waren der Beginn von Mikrobiologie und Entomologie. Ohne seine Arbeit wüsste man nicht, dass Mikroorganismen Krankheiten und Kontaminationen verursachen.

Klassifizierung des Lebens.

Wer Wann Was
Karl Linné 1758 Ein erstes universelles Klassifikationssystem von Lebewesen wurde vorgeschlagen.

Karl Linnaeus, ein schwedischer Wissenschaftler, hat ein universelles System zur Klassifizierung von Lebewesen vorgeschlagen.

  • Das neue System war hierarchisch, lateinbasiert und ermöglichte eine einfache Kommunikation zwischen Wissenschaftlern.
  • Jede Art erhielt einen eindeutigen binomialen Namen und gehörte zu einer bestimmten Gattung, Familie, Ordnung, Klasse und einem Königreich.
  • Das Linnaeus-System wurde seitdem mehrmals modifiziert, aber die ursprüngliche Idee bleibt dieselbe.
  • Die Existenz des Klassifikationssystems hat das Studium des Lebens erheblich erleichtert und auch das Studium ermöglicht evolutionär Beziehungen zwischen Organismen in späteren Jahrhunderten.

Bakterien sind kein Produkt einer spontanen Generation.

Das Experiment des italienischen Abtes und Professors Lazarro Spallanzani hat bewiesen, dass Mikroben nicht durch unbelebte „Lebenskraft“ entstehen, sondern nur von anderen Mikroorganismen stammen können.

  • Dieses Experiment hat den Menschen geholfen zuzugeben, dass alle Tiere ausnahmslos von anderen Tieren der gleichen Art abstammen, wodurch die früher populäre “spontane Generation” Theorie.
  • Spallanzanis Experiment hat zu unserem Verständnis der Rolle von Mikroorganismen und ihrer Herkunft beigetragen.
  • Es war auch die Grundlage für die Pasteurisierungsmethode, die später von Pasteur entwickelt wurde.

Zelltheorie.

Wer Wann Was
Theodor Schwann, Matthias Schleiden, Rudolf Virchow 1838 und 1858 Die Etablierung der Zelltheorie.

Theodor Schleiden, Tierspezialist, und Matthias Schleiden, Botaniker, sind zu dem gemeinsamen Schluss gekommen: Alle Lebewesen bestehen aus Einheiten mit ähnlicher Form und Struktur – Zellen.

Sie haben die Zelltheorie formuliert:

  • Alle Lebewesen bestehen aus Zellen.
  • Jede Zelle ist sowohl eine funktionale Einheit als auch ein Baustein.

Später im Jahr 1858 hat ein hervorragender deutscher Anatom eine dritte wichtige Regel zur Zelltheorie aufgestellt: Alle Zellen stammen von anderen Zellen ab. Die Formulierung der Zelltheorie war der Beginn der Zellbiologie, wie wir sie kennen. Ohne sie würden wir viele Prozesse nicht verstehen und schon gar nicht Krankheiten wie Krebs bekämpfen.

Keimtheorie.

Louis Pasteur, ein französischer Mikrobiologe und Chemiker, gilt als Vater der modernen Mikrobiologie.

  • Sein Werk war äußerst umfangreich. Seine bemerkenswertesten Leistungen beweisen zweifelsfrei, dass Bakterien Krankheiten verursachen und die Erfindung der Pasteurisierung basierend auf einem früheren Experiment von Spallanzani.
  • Wir setzen bis heute auf Pasteurisierung, um unsere Lebensmittel haltbar zu machen. Ohne die von Pasteur entwickelten Impfstoffe und Kulturmethoden wären wir nicht in der Lage gewesen, Krankheiten von Rindern und Menschen zu bekämpfen.

Evolutionstheorie.

Die britischen Wissenschaftler Charles Darwin und Alfred Wallace haben unabhängig voneinander eine Theorie formuliert, die die Ursprünge des Lebens auf der Erde und die Evolutionsmechanismen der Arten erklärt.

  • Die Evolutionstheorie hat sich seit Darwins Zeit dramatisch erweitert, aber die Existenz der natürlichen Auslese ist bis heute praktisch unbestritten.
  • Darwins Arbeit hat wesentlich zu unserem Verständnis des Lebens auf der Erde und der noch heute stattfindenden Prozesse beigetragen.

Die Gesetze der Vererbung.

Gregor Mendel, ein österreichischer Mönch und ein Mathematiker haben die Mechanismen der Übertragung vererbter Eigenschaften von den Eltern auf die Nachkommen postuliert.

  • Er hat Erbsenpflanzen für seine Experimente verwendet und die Existenz von dominanten und rezessiven Allelen entdeckt.
  • Mendelianer Genetik ist nur ein Aspekt des komplexen Vererbungsmechanismus, spielt aber immer noch eine massive Rolle bei Zuchtprogrammen in der Landwirtschaft und beim Verständnis menschlicher Erkrankungen.
  • Mendel führte auch die Statistik als Methode zur Auswertung von Ergebnissen und zum Ziehen von Schlussfolgerungen ein, die heute in allen Wissenschaften weit verbreitet ist.

Phagozytose.

Ilya (Elie) Mechnikov hat die Existenz von . entdeckt spezialisierte Zellen bei Tieren (sowohl Wirbeltieren als auch Wirbellosen), die für die Eliminierung von Krankheitserregern und toten Zellen verantwortlich waren.

  • ‘Mechnikovs Entdeckung hat begonnen Immunologie – die Wissenschaft, die sich der Erforschung der Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger im Körper widmet.
  • Die Immunologie hilft maßgeblich bei unserem Kampf gegen Krankheitserreger und auch bei der Impfstoffentwicklung.

Chromosomen und ihre Rolle bei der Befruchtung.

Edouard van Beneden, ein belgischer Embryologe und Zytologe, hat seit 1883 mehrere Veröffentlichungen veröffentlicht, in denen er Chromosomen in den Eiern des Ascaria-Wurms sowie die Prozesse der Befruchtung und Mitose.

Ohne seine Entdeckungen wären die nächsten Durchbrüche beim Verständnis der Vererbung im Allgemeinen und der Chromosomenstörungen im Besonderen unmöglich gewesen.

Tabakmosaikvirus.

Der russische Wissenschaftler Dmitriy Ivanovsky untersuchte Tabakpflanzen, die von der Krankheit namens . betroffen waren Tabakmosaik.

  • Er hat bewiesen, dass die Krankheit durch einen Erreger verursacht wurde, der viel kleiner war als normale Bakterien.
  • Der eigentliche Begriff, “Virus“, wurde 1898 von Martinus Beijerinck geprägt.
  • Durch das elegante Experiment von Ivanovsky hat die wissenschaftliche Gemeinschaft von Viren erfahren, obwohl sie sie bis zur Erfindung des Elektronenmikroskops nicht wirklich sehen konnte.

Vererbung der Alkaptonurie.

Archibald Garrod hat Familiendiagramme von Patienten mit einer Stoffwechselstörung studiert – Alkaptonurie und hat herausgefunden, dass diese Krankheit nach Mendelschen Gesetzen vererbt wird.

  • Es war die erste Beschreibung einer vererbbaren Krankheit und der zusätzliche Beweis für die Universalität der Mendelschen Gesetze.
  • Aufgrund der Entdeckung von Garrod könnten Spezialisten die Ursachen von Krankheiten besser verstehen, wie z Hämophilie.

Bakterielle Transformation.

Beim Experimentieren mit zwei Bakterienstämmen von Staphylococcus pneumoniae hat Griffith entdeckt, dass die Merkmale der toten Bakterien auf lebende Bakterien übertragen werden können.

  • Dieser Prozess wurde genannt Transformation. Griffiths Entdeckung half dabei, die Rolle der DNA bei der Vererbung zu bestimmen.
  • Die Entdeckung der Transformation und bakterieller Plasmide hat auch die Entwicklung von Gentechnik.
  • Aufgrund unserer Kenntnisse der bakteriellen Transformation sind wir auch in der Lage zu verstehen, wie Antibiotikaresistenzen in Bakterienpopulationen verbreitet werden.

Antibiotikum Penicillin.

Alexander Fleming arbeitete im St. Mary’s Hospital in London, Großbritannien.

  • Er hat zufällig entdeckt, dass das Vorhandensein bestimmter Arten von Schimmelpilzen in Petrischalen von Bakterienkulturen die Bakterien abtötet.
  • Er hat auch die für diese Wirkung verantwortliche Substanz gereinigt. Obwohl Penicillin 1928 entdeckt wurde, begann seine Produktion als Medikament erst in den 1940er Jahren, als eine angemessene antibakterielle Versorgung für die verwundeten Soldaten von entscheidender Bedeutung war.
  • Die Entdeckung von Penicillin war der Beginn des Antibiotika-Zeitalters, das weltweit die Sterblichkeit durch Krankheiten senkte.

DNA-Methylierung.

Als Hotchkiss ein Präparat aus Kalbsthymus untersuchte, entdeckte er, dass eine der DNA Nukleotide, Cytosin, hatte eine zusätzliche Methylgruppe – war methyliert.

  • Später stellte sich heraus, dass auch andere Nukleotide methyliert werden konnten.
  • Die DNA-Methylierung ist einer der häufigsten Mechanismen zur Regulation der Genaktivität.
  • Wir wissen jetzt, dass diese Art der Regulierung, genannt epigenetische Regulation ist entscheidend für unsere Entwicklung und unser Wohlbefinden.

Proteinstruktur.

Anhand der Daten aus Röntgenkristallographie und Papiermodellen hat Linus Pauling erkannt, wie Aminosäuren fügen sich zu Proteinen zusammen.

  • Die erste von ihm beschriebene Struktur war die Protein-Alpha-Helix. Proteine ​​spielen eine wichtige Rolle bei der Funktion von Zellen und komplexen Organismen, und die Bestimmung ihrer Bildung war der erste Schritt zum Verständnis ihrer Aktivität.
  • Paulings Methode hat auch Watson und Crick beeinflusst und dazu beigetragen, die DNA-Struktur zu etablieren.
  • Paulings Entdeckung gilt heute als Beginn der Molekularbiologie. Pauling erhielt 1954 den Nobelpreis für Chemie.

Mobile genetische Elemente.

Eine amerikanische Wissenschaftlerin, Barbara McClintock, untersuchte Pflanzen. Ihr besonderes Interesse galt den Mechanismen von Chromosomenbrüchen der Maispflanzen.

  • Sie hat herausgefunden, dass es Bereiche in den Chromosomen gibt, die sich lösen und sich in anderen Regionen wieder einfügen können.
  • Dies war eine der erstaunlichsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts, die das Verständnis der Wissenschaftler über die Funktionsweise des Genoms und die Entstehung von Mutationen auf den Kopf stellte.
  • In späteren Jahrzehnten wurde festgestellt, dass mobile genetische Elemente (Transposons) kann in allen lebenden Organismen vorkommen, von Viren bis Säugetiere.

DNA-Struktur.

Basierend auf Daten über das Verhältnis von Nukleotiden und Röntgenbildern eines anderen Wissenschaftlers, Rosalind Franklin, haben Watson und Crick die DNA-Struktur ermittelt.

  • Sie haben gezeigt, dass DNA eine Doppelspirale mit Wasserstoffbrückenbindungen zwischen komplementären Purin- und Pyrimidinbasen ist.
  • Die Entdeckung der DNA-Struktur half dabei, die Mechanismen der Replikation, Translation und des DNA-Codes selbst herauszufinden.

DNA-Sequenzierungsmethode von Frederick Sanger.

Frederick Sanger hat eine Methode entwickelt, die es erlaubt, die genaue Sequenz von Nukleotiden im Genom mit Hilfe von DNA-Polymerase, vorgefertigten Primern und radioaktiven Nukleotiden zu bestimmen.

Seine Methode war deutlich einfacher und schneller als die bisherigen und trug dazu bei, die DNA-Sequenzierung in Bakterien, Viren und später auch beim Menschen erheblich zu beschleunigen.

Das neue Reich des Lebens.

Carl Woese sequenzierte eine bestimmte Art von Nukleinsäure – ribonukleäre RNA.

  • Er hat einzellige Organismen ohne Zellkern entdeckt, die eine ganz andere Art von ribosomaler RNA aufweisen als Bakterien und Eukaryoten.
  • Er hat gezeigt, dass diese Organismen zu einem völlig separaten Königreich des Lebens. Sie hießen Archaeen.
  • Das moderne wissenschaftliche Denken neigt zu der Idee, dass Eukaryoten tatsächlich durch Endosymbiose von Archaea abstammen.

P53-Protein.

Bei der Untersuchung, wie das SV40-Virus die Entstehung der Krebstumore verursacht, entdeckten Kress und seine Kollegen ein neuartiges Protein, das aktiv im Zellkern von Krebszellen produziert wird und zudem mit einem der viralen Antigene assoziiert wird.

  • Spätere Forschungen haben ergeben, dass dieses Protein in zwei kritischen Prozessen entscheidend war: Krebsentwicklung und programmierte ZelltodApoptose.
  • Es wurde dann unter anderem festgestellt, dass p53 an den krebserzeugenden Wirkungen des Rauchens beteiligt ist.

Gene, die die Autophagie steuern.

Autophagie ist ein Prozess der Selbstzerstörung und des Recyclings in der Zelle als Reaktion auf Stress.

  • Ohsumi hat eine Methode entwickelt, um diesen Prozess in Hefe und hat es geschafft, mehrere Gene zu finden, die für diesen Prozess verantwortlich sind.
  • Seine Arbeit hat sowohl zur Wissenschaft als auch zur Medizin beigetragen, da festgestellt wurde, dass die Autophagie eine bedeutende Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson spielt. Ohsumi wurde 2016 für seine Arbeit mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Cas9/CRISPR-System in Bakterien.

Das Wissenschaftlerteam um R. Barrangou hat herausgefunden, dass Bakterien spezielle Enzyme verwenden, um Stücke von infizierenden Viren herauszuschneiden, die kürzlich in das Bakteriengenom eingefügt wurden.

  • Dieses System hilft Bakterien, Viren rechtzeitig zu erkennen. Später erkannten die Wissenschaftler, dass diese bakteriellen Enzyme zur Bearbeitung von Genomen anderer Organismen verwendet werden können.
  • Diese Entdeckung war sowohl für die Krebsforschung als auch für andere Bereiche von entscheidender Bedeutung. Zunächst wurde mit dieser Technik auch die Gen-Editierung beim Menschen durchgeführt.

Die Geschichte der Biologie ist voll von kleinen und großen Entdeckungen, die unser Leben stark beeinflusst haben. Diese Entdeckungen halfen uns, das Leben besser zu verstehen und unglaubliche Verbesserungen in der Medizin zu erzielen.

Diese Liste der biologischen Entdeckungen beschreibt nur einige wenige, die die Entwicklung der Biologie am stärksten beeinflusst haben.


Biologen untersuchen die Maschinerie zellulärer Proteinfabriken

Proteine ​​aller Größen und Formen erledigen die meiste Arbeit in lebenden Zellen, und die DNA-Sequenzen in den Genen geben die Anweisungen zur Herstellung dieser Proteine ​​an. Die entscheidende Aufgabe, die genetischen Anweisungen zu lesen und die angegebenen Proteine ​​zu synthetisieren, übernehmen Ribosomen, winzige Proteinfabriken, die in den Zellen aller Lebewesen vor sich hin summen.

Harry Noller, Sinsheimer Professor für Molekularbiologie an der University of California, Santa Cruz, beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit dem Ribosom. Sein Hauptziel ist es zu verstehen, wie das Ribosom funktioniert und wie es sich entwickelt hat, aber es gibt auch praktische Gründe, diese Forschung zu betreiben. Viele der wirksamsten Antibiotika wirken, indem sie auf bakterielle Ribosomen abzielen, und die Erkenntnisse von Noller und anderen haben zur Entwicklung neuartiger Antibiotika geführt, die vielversprechend für den Einsatz gegen Keime sind, die gegen aktuelle Medikamente Resistenzen entwickelt haben. Arzneimittelresistente Staphylokokkeninfektionen zum Beispiel sind in Krankenhäusern ein ernstes Problem.

1999 und 2001 erzielte Nollers Labor Durchbrüche und produzierte die ersten hochauflösenden Bilder der molekularen Struktur eines kompletten Ribosoms. Jetzt ist seinem Team mit einem noch höher aufgelösten Bild ein weiterer großer Fortschritt gelungen, das es ihnen ermöglicht, ein Atom-für-Atom-Modell des Ribosoms zu konstruieren.

Das neue Bild zeigt noch nie dagewesene Details und lässt vermuten, wie sich bestimmte Teile des Ribosoms während der Proteinsynthese bewegen. Ein Papier, in dem die neuen Ergebnisse beschrieben werden, wird in der Ausgabe des Journals vom 22. September veröffentlicht Zelle und ist derzeit online verfügbar.

"Wir können jetzt viele Ergebnisse aus biochemischen und genetischen Studien der letzten Jahrzehnte erklären", sagte Noller. "Diese Struktur gibt uns einen weiteren Rahmen im Film, der uns schließlich den gesamten Prozess des Ribosoms in Aktion zeigen wird."

Das Ribosom ist eine komplexe molekulare Maschine, die aus Proteinen und RNA-Molekülen besteht. Die in Nollers Labor untersuchten bakteriellen Ribosomen (gewonnen aus dem Bakterium Thermus thermophilus) bestehen aus drei verschiedenen RNA-Molekülen und mehr als 50 verschiedenen Proteinen.

Noller schlug in den frühen 1970er Jahren vor, dass die RNA-Komponente für die Ausführung der Schlüsselfunktionen des Ribosoms verantwortlich ist. Zu dieser Zeit galt es als "Knackpot-Idee", aber spätere Erkenntnisse von Noller und anderen gaben ihm Recht.

"Es war eine völlig heterodoxe Sichtweise, als wir sie zum ersten Mal vorschlugen, aber es ist jetzt das akzeptierte Paradigma", sagte Noller, der das Center for Molecular Biology of RNA an der UCSC leitet. „Unsere neuesten Ergebnisse bestätigen, dass die ribosomale RNA wirklich der Schlüssel zur Ribosomenfunktion ist. Die Proteine ​​sind ebenfalls beteiligt, aber eher peripher“, sagte er.

Um ein neues Protein herzustellen, werden zunächst die genetischen Anweisungen aus der DNA-Sequenz des Gens in ein Boten-RNA-Molekül kopiert. Das Ribosom liest dann den genetischen Code aus der Boten-RNA und übersetzt ihn in die Struktur eines Proteins.

Proteine ​​sind lineare Moleküle, die sich zu komplexen dreidimensionalen Formen falten, um ihre Funktionen auszuführen. Sie bestehen aus Aminosäurebausteinen und die Reihenfolge der Aminosäuren bestimmt die Struktur des Proteins. Aminosäuren werden durch Transfer-RNA-Moleküle zum Ribosom transportiert. Auf dem Ribosom erkennen die Transfer-RNAs bestimmte Sequenzen des genetischen Codes auf der Boten-RNA, und die Aminosäuren werden dann in der richtigen Reihenfolge zusammengefügt.

Die Bilder aus Nollers Gruppe zeigen nicht nur das komplette Ribosom, sie zeigen es mit einer Boten-RNA und zwei daran gebundenen Full-Length-Transfer-RNAs. "Wir können jetzt die Details der meisten Interaktionen zwischen dem Ribosom, der Boten-RNA und den Transfer-RNAs sehen", sagte Noller.

Die Ergebnisse liefern eine Momentaufnahme der molekularen Maschine in Aktion. Durch den Vergleich seiner Bilder mit denen anderer Gruppen, die das Ribosom oder seine Untereinheiten in unterschiedlichen Positionen gefangen haben, findet Noller Hinweise auf die molekularen Bewegungen, mit denen das Ribosom seine Arbeit verrichtet.

"Unser nächstes Ziel ist es, das Ribosom in anderen Funktionszuständen einzufangen, um mehr Frames des Films zu erhalten", sagte er.

Die Autoren des Papiers sind neben Noller der Postdoktorand Andrei Korostelev, der Senior Scientist Sergei Trakhanov und der Postdoktorand Martin Laurberg. Die Forscher verwendeten eine Technik namens Röntgenkristallographie, bei der Kristalle aus gereinigten Ribosomen gezüchtet, ein fokussierter Röntgenstrahl durch die Kristalle gestrahlt und das resultierende Beugungsmuster analysiert wird. Trachanow bereitete die Kristalle vor und Korostelev und Laurberg führten die Kristallographie durch und lösten die Struktur, sagte Noller.


Kermesbeere antivirales Protein

Barbieri L, Ferreras JM, Barraco A, Ricci P, Stirpe F (1992)Einige Ribosomen-inaktivierende Proteine ​​depurinieren ribosomale RNA an mehreren Stellen. Biochem J 286:1-4

Barbieri L, Valbonesi P, Bonora E, Gorini P, Bolognesi A, Stirpe F (1997)Polynukleotid: Adenosinglycosidase-Aktivität von Ribosomen-inaktivierenden Proteinen: Wirkung auf DNA, RNA und Poly(A). Nukleinsäuren Res 25:518–522

Barbieri L, Brigotti M, Perocco P, Carnicelli D, Ciani M, Mercatali L, Stirpe F (2003)Ribosomen-inaktivierende Proteine ​​depurinieren poly(ADP-ribosyl)ierte Poly(ADP-ribose)-Polymerase und haben transformierende Aktivität für 3T3-Fibroblasten. FEBS Lett 538:178–182

Day PJ, Lord JM, Roberts LM (1998) Die den Ribosomen-inaktivierenden Proteinen zugeschriebene Desoxyribonuklease-Aktivität ist auf Kontamination zurückzuführen. Eur J Biochem 258:540–545

He W-J, Liu WY (2004) Sowohl N- als auch C-terminale Regionen sind für die Cinnamomin-A-Kette essentiell, um ribosomale RNA und supercoiled doppelsträngige DNA zu deadenylieren. Biochem J 377:17–23

Helmy M, Lombard S, Pieroni G (1999) Ricin RCA60: Nachweis seiner Phospholipase-Aktivität. Biochem Biophys Res Commun 258:252–255

Lam YH, Wong YS, Wang B, Wong RNS, Yeung HW, Shaw PC (1996)Verwendung von Trichosanthin zur Verringerung der Infektion durch Rübenmosaikvirus. Plant Sci 114:11–117

Li X-D, Chen W-F, Liu W-Y, Wang G-H (1997)Großtechnische Herstellung von zwei neuen Ribosomen-inaktivierenden Proteinen, Cinnamomin und Camphorin, aus den Samen von Cinnamomum camphora. Protein Expr Purif 10:27–31

Lodge JK, Kaniewski WK, Tumer NE (1993)Breitspektrum-Virusresistenz in transgenen Pflanzen, die antivirales Kermesbeerprotein exprimieren. Proc Natl Acad Sci USA 90:7089–7093

Moon YH, Song SK, Choi KW, Lee JS (1997)Expression einer cDNA kodierend Phytolacca insularis antivirales Protein verleiht transgenen Kartoffelpflanzen Virusresistenz. Mol-Zellen 7:807–815

Ng TB, Lam YW, Wang H (2003)Calcaelin, ein neues Protein mit translationshemmenden, antiproliferativen und antimitogenen Aktivitäten aus Mosaik-Puffball-Pilz Calvatia caelata. Planta Med 69:212–217

Parikh BA, Coetzer C, Tumer NE (2002)Das antivirale Pokeweed-Protein reguliert die Stabilität seiner eigenen mRNA durch einen Mechanismus, der eine Depurination erfordert, aber von der Depurination der α-Sarcin/Ricin-Schleife der rRNA getrennt werden kann. J. Biol. Chem. 277:41428–41437

Park S-W, Stevens NM, Vivanco JM (2002)Enzymatische Spezifität von drei Ribosomen-inaktivierenden Proteinen gegen Pilzribosomen und Korrelation mit antimykotischer Aktivität. Planta 216:227–234

Park, S-W, Vepachedu R, Owens RA, Vivanco JM (2004) n-Glycosidase-Aktivität des Ribosomen-inaktivierenden Proteins ME1 zielt auf einzelsträngige Regionen von Nukleinsäuren unabhängig von Sequenz- oder Strukturmotiven ab. J. Biol. Chem. 279:34165–34174

Rajamohan F, Venkatachalam TK, Irvin JD, Uckun FM (1999)Pokeweed antivirale Proteinisoformen PAP-I, PAP-II und PAP-III depurinieren RNA des humanen Immunschwächevirus (HIV)-1. Biochem Biophys Res Commun 260:453–458

Ready MP, Brown DT, Robertus JD (1986)Extrazelluläre Lokalisierung von Kermesbeerenprotein. Proc Natl Acad Sci USA 84:5053–5056

Sharma N, Park S-W, Vepachedu R, Barbieri L, Ciani M, Stirpe F, Savary BJ, Vivanco JM (2004) Isolierung und Charakterisierung eines RIP-ähnlichen Proteins aus Nicotiana tabacum mit doppelter enzymatischer Aktivität. Pflanzenphysiologie 134:171–181

Valbonesi P, Barbieri L, Bolognesi A, Bonora E, Polito L, Stirpe F (1999)Herstellung von hochgereinigtem Momordin II ohne Ribonukleaseaktivität. Lebenswissenschaft 65:1485-1491

Vepachedu R, Bais HP, Vivanco JM (2003)Molekulare Charakterisierung und posttranskriptionelle Regulation von ME1, einem Typ-I-Ribosom-inaktivierenden Protein aus Mirabilis-Ausdehnung. Planta 217:498–506

Wang J-H, Nie H-L, Huang H, Tam S-C, Zheng Y-T (2003)Unabhängigkeit der Anti-HIV-1-Aktivität von der Ribosomen-inaktivierenden Aktivität von Trichosanthin. Biochem Biophys Res Commun 302:89–94

Wang P, Tumer NE (1999)Das antivirale Protein von Pokeweed spaltet doppelsträngige supercoiled DNA unter Verwendung des gleichen aktiven Zentrums, das zum Depurinieren von rRNA erforderlich ist. Nukleinsäuren Res 27:1900–1905

Zoubenko O, Unkun F, Hur Y, Chet I, Tumer NE (1997)Pflanzenresistenz gegen Pilzinfektion, die durch antivirale Proteinmutanten der Kermesbeere induziert wird. Nat Bio/Technol 15:992–996


Nachahmung lebender Zellen: Ribosomen synthetisieren

Forscher der synthetischen Biologie der Northwestern University haben in Zusammenarbeit mit Partnern der Harvard Medical School zum ersten Mal Ribosomen – Zellstrukturen, die für die Bildung aller Proteine ​​und Enzyme in unserem Körper verantwortlich sind – von Grund auf in einem Reagenzglas synthetisiert.

Andere haben zuvor versucht, Ribosomen aus ihren Bestandteilen zu synthetisieren, aber die Bemühungen führten zu schlecht funktionierenden Ribosomen unter Bedingungen, die die Umgebung einer lebenden Zelle nicht replizieren. Darüber hinaus scheiterten seit Jahrzehnten Versuche, Ribosomensynthese und -assemblierung in einem einzigen Prozess zu kombinieren.

Michael C. Jewett, ein synthetischer Biologe an der Northwestern, George M. Church, ein Genetiker an der Harvard Medical School, und Kollegen haben kürzlich einen anderen Ansatz verfolgt: Sie ahmten die natürliche Synthese eines Ribosoms nach und ermöglichten es natürlichen Enzymen einer Zelle, die menschliche -Bau gemacht.

Die Technologie könnte zur Entdeckung neuer Antibiotika führen, die auf die Ribosomenanordnung abzielen, ein erweitertes Verständnis der Form und Funktion von Ribosomen und die Herstellung maßgeschneiderter Ribosomen zur Herstellung neuer Proteine ​​mit exotischen Funktionen, die im Leben nur schwer, wenn nicht gar unmöglich wären Organismen.

„Wir können die Natur nachahmen und Ribosomen so herstellen, wie sich die Natur dazu entwickelt hat, bei der alle Prozesse gleichzeitig aktiviert werden“, sagte Jewett, der die Forschung zusammen mit Church leitete. "Unser Ansatz ist ein Eintopf-Syntheseschema, bei dem wir Gene, die für ribosomale RNA kodieren, natürliche ribosomale Proteine ​​und zusätzliche Enzyme einer E. coli-Zelle zusammen in einem Reagenzglas werfen, und dies führt zur Konstruktion eines Ribosoms."

Jewett ist Assistenzprofessor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der McCormick School of Engineering and Applied Science in Northwestern.

Die In-vitro-Konstruktion von Ribosomen, wie in dieser Studie gezeigt, ist von großem Interesse für das Gebiet der synthetischen Biologie, das die Fähigkeit zur Entwicklung neuer oder neuartiger Lebensformen und biokatalytischer Ensembles für nützliche Zwecke zu verändern sucht.

Die Ergebnisse des vierjährigen Forschungsprojekts wurden am 25. Juni in der Zeitschrift . veröffentlicht Molekulare Systembiologie.

Bestehend aus 57 Teilen – drei Strängen Ribonukleinsäure (RNA) und 54 Proteinen – führen Ribosomen die Übersetzung von Boten-RNA in Proteine ​​durch, ein Kernprozess der Zelle. Die Tausenden von Proteinen pro Zelle erfüllen wiederum eine Vielzahl von Funktionen, von der Verdauung bis zur Bildung von Antikörpern. Zellen benötigen zum Leben Ribosomen.

Jewett vergleicht ein Ribosom mit einem Koch. Das Ribosom nimmt das in der DNA kodierte Rezept und stellt die Mahlzeit oder ein Protein her. "Wir wollen brandneue Köche oder Ribosomen herstellen", sagte Jewett. "Dann können wir Ribosomen verändern, um neue Dinge für uns zu tun."

„Die Fähigkeit, Ribosomen in vitro in einem Prozess herzustellen, der der Biologie nachempfunden ist, eröffnet neue Wege für das Studium der Ribosomensynthese und -zusammenfügung und ermöglicht es uns, den Translationsprozess besser zu verstehen und möglicherweise zu kontrollieren“, sagte er. "Unsere Technologie könnte es uns in Zukunft auch ermöglichen, modifizierte Ribosomen mit neuen Verhaltensweisen und Funktionen schnell zu entwickeln, ein potenziell bedeutender Fortschritt für das Gebiet der synthetischen Biologie."

Der von Jewett und Church entwickelte Syntheseprozess – als „integrierte Synthese, Montage und Übersetzung“ (iSAT)-Technologie bezeichnet – ahmt die Natur nach, indem er die Synthese, den Aufbau und die Funktion von Ribosomen in einer einzigen Reaktion und im selben Kompartiment ermöglicht.

Bei der Arbeit mit E. coli-Zellen kombinierten die Forscher natürliche ribosomale Proteine ​​mit synthetisch hergestellter ribosomaler RNA, die sich in vitro zu halbsynthetischen, funktionellen Ribosomen zusammenfügte.

Sie bestätigten, dass die Ribosomen aktiv waren, indem sie ihre Fähigkeit zur Translation von Luciferase, dem Protein, das für das Leuchten eines Glühwürmchens verantwortlich ist, bewerteten. Die Forscher zeigten dann die Fähigkeit von iSAT, ein modifiziertes Ribosom mit einer Punktmutation herzustellen, die eine Resistenz gegen das Antibiotikum Clindamycin vermittelt.

Als nächstes wollen die Forscher alle 57 Ribosomenteile synthetisieren, einschließlich der 54 Proteine.

"Ich bin wirklich aufgeregt, wo wir sind", sagte Jewett. „Diese Studie ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Synthese eines kompletten Ribosoms. Wir werden diese Arbeit weiter vorantreiben.“

Jewett und Church, ein Professor für Genetik an der Harvard Medical School, sind Autoren des Papiers mit dem Titel "In-vitro-Integration von ribosomaler RNA-Synthese, Ribosomen-Assembly und Translation". Andere Autoren sind Brian R. Fritz und Laura E. Timmerman, Doktoranden in Chemie- und Bioingenieurwesen an der Northwestern.

Die Arbeit wurde sowohl an der Northwestern University als auch an der Harvard Medical School durchgeführt.