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A origem das máquinas moleculares

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O DNA contém informações genéticas e a chave para a evolução dos organismos vivos. Os mecanismos de transcrição e tradução permitem que as células vivas processem informações codificadas no DNA. Para tanto, a transcrição e a tradução são mecanismos fundamentais para possibilitar a evolução dos organismos. Máquinas moleculares (enzimas) realizam esses mecanismos lendo as informações no DNA e usando-as para construir proteínas.

A primeira célula viva continha o mecanismo necessário para a tradução e a transcrição? ou eles evoluíram com o tempo?

EDITAR: Editou a pergunta para restringir o escopo.


A hipótese principal é que tudo começa a partir do RNA. "O mundo do RNA". Não havia DNA nem proteínas. Ambas as funções eram desempenhadas por RNA. Agora, não existem organismos vivos que carregam informações no RNA (apenas vírus ...), mas existem "enzimas" do RNA - ribozimas.
A evolução para o DNA foi posterior, de acordo com essa hipótese.
Existe um artigo realmente bom no wiki.
http://en.wikipedia.org/wiki/RNA_world_hypothesis
ou se você quiser algo mais veja aqui
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26876/

Resumo

Pelo nosso conhecimento dos organismos atuais e das moléculas que eles contêm, parece provável que o desenvolvimento dos mecanismos diretamente autocatalíticos fundamentais para os sistemas vivos começou com a evolução de famílias de moléculas que poderiam catalisar sua própria replicação. Com o tempo, uma família de catalisadores de RNA cooperantes provavelmente desenvolveu a capacidade de dirigir a síntese de polipeptídeos. É provável que o DNA tenha sido uma adição tardia: como o acúmulo de catalisadores protéicos adicionais permitiu que células mais eficientes e complexas evoluíssem, a dupla hélice do DNA substituiu o RNA como uma molécula mais estável para armazenar as maiores quantidades de informações genéticas exigidas por tais células.


A História do PCR


Tornando a Perseguição Possível

Infelizmente, falar é fácil. O que impediu Turing de começar a trabalhar ali mesmo? Primeiro, os computadores precisavam mudar fundamentalmente. Antes de 1949, os computadores não tinham um pré-requisito fundamental para a inteligência: eles não podiam armazenar comandos, apenas executá-los. Em outras palavras, os computadores podiam ser informados sobre o que fazer, mas não conseguiam se lembrar do que fizeram. Em segundo lugar, a computação era extremamente cara. No início da década de 1950, o custo do aluguel de um computador chegava a US $ 200.000 por mês. Apenas universidades de prestígio e grandes empresas de tecnologia poderiam se dar ao luxo de perder tempo nessas águas desconhecidas. Uma prova de conceito, bem como a defesa de pessoas de alto nível, eram necessárias para persuadir as fontes de financiamento de que valia a pena buscar inteligência de máquina.


2. Os Pioneiros Imaginativos da Nanotecnologia

O físico americano e ganhador do Prêmio Nobel Richard Feynman apresentou o conceito de nanotecnologia em 1959. Durante a reunião anual da American Physical Society, Feynman apresentou uma palestra intitulada & # x0201cThere & # x02019s Plenty of Room at the Bottom & # x0201d no California Institute of Tecnologia (Caltech). Nesta palestra, Feynman fez a hipótese & # x0201cPor que não podemos & # x02019t escrevermos todos os 24 volumes da Enciclopédia Britânica na cabeça de um alfinete? & # X0201d, e descreveu uma visão de usar máquinas para construir máquinas menores e até o nível molecular [5]. Essa nova ideia demonstrou que as hipóteses de Feynman & # x02019s se provaram corretas e, por essas razões, ele é considerado o pai da nanotecnologia moderna. Após quinze anos, Norio Taniguchi, um cientista japonês foi o primeiro a usar e definir o termo & # x0201cnanotecnologia & # x0201d em 1974 como: & # x0201cnanotecnologia consiste principalmente no processamento de separação, consolidação e deformação de materiais por um átomo ou um molécula & # x0201d [6].

Depois que Feynman descobriu esse novo campo de pesquisa que despertou o interesse de muitos cientistas, duas abordagens foram desenvolvidas descrevendo as diferentes possibilidades de síntese de nanoestruturas. Essas abordagens de manufatura se enquadram em duas categorias: de cima para baixo e de baixo para cima, que diferem em graus de qualidade, velocidade e custo.

A abordagem de cima para baixo é essencialmente a quebra do material a granel para obter partículas nanométricas. Isso pode ser alcançado usando técnicas avançadas, como engenharia de precisão e litografia, que foram desenvolvidas e otimizadas pela indústria nas últimas décadas. A engenharia de precisão dá suporte à maioria da indústria de microeletrônica durante todo o processo de produção, e o alto desempenho pode ser alcançado através do uso de uma combinação de melhorias. Isso inclui o uso de nanoestrutura avançada baseada em diamante ou nitreto de boro cúbico e sensores para controle de tamanho, combinados com controle numérico e tecnologias avançadas de servo-acionamento. A litografia envolve a padronização de uma superfície por meio da exposição à luz, íons ou elétrons e a deposição de material nessa superfície para produzir o material desejado [7].

A abordagem de baixo para cima refere-se à construção de nanoestruturas a partir da base: átomo por átomo ou molécula por molécula por métodos físicos e químicos que estão em uma escala de nanoescala (1 nm a 100 nm) usando a manipulação controlada de auto-montagem de átomos e moléculas. A síntese química é um método de produção de materiais brutos que podem ser usados ​​diretamente no produto em sua forma desordenada a granel ou como blocos de construção de materiais ordenados mais avançados. A automontagem é uma abordagem de baixo para cima na qual átomos ou moléculas se organizam em nanoestruturas ordenadas por interações físico-químicas entre eles. A montagem posicional é a única técnica em que átomos, moléculas ou cluster podem ser posicionados livremente um a um [7].

O conceito geral de top down e bottom up e os diferentes métodos adotados para sintetizar nanopartículas usando essas técnicas estão resumidos na Figura 2. Em 1986, K. Eric Drexler publicou o primeiro livro sobre nanotecnologia & # x0201cEngines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology & # x0201d, que levou à teoria de & # x0201cmolecular engineering & # x0201d se tornando mais popular [8]. Drexler descreveu a construção de máquinas complexas de átomos individuais, que podem manipular moléculas e átomos de forma independente e, assim, produzir nanotruturas de automontagem. Mais tarde, em 1991, Drexler, Peterson e Pergamit publicaram outro livro intitulado & # x0201cUnbounding the Future: the Nanotechnology Revolution & # x0201d no qual eles usam os termos & # x0201cnanobots & # x0201d ou & # x0201cassemblers & # x0201d para aplicações de nanoprocessos em medicina e então, o famoso termo & # x0201cnanomedicina & # x0201d foi usado pela primeira vez depois disso [9].

O conceito de tecnologia top down e bottom up: diferentes métodos de síntese de nanopartículas.


A origem das máquinas moleculares - Biologia

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O Instituto de Biologia Molecular - o IMB - é um grupo de biólogos, químicos e físicos da Universidade de Oregon que reuniram seus conhecimentos para lidar com questões fundamentais em biologia molecular. Quais são os princípios básicos que definem a vida? Como os organismos se desenvolvem e respondem a seus ambientes de forma organizada? Como a vida evolui? Como podemos traduzir nossa compreensão molecular em novas terapias?

Para resolver essas questões, o IMB possui um corpo docente altamente colaborativo com experiência em genômica, biologia celular, bioquímica / biofísica, biologia de sistemas, microbiologia e biologia evolutiva. Nossos pesquisadores usam uma ampla variedade de sistemas biológicos, de peixe-zebra livre de germes a máquinas moleculares reconstituídas in vitro e modelos computacionais. Como resultado, os alunos matriculados em nosso programa de doutorado obtêm as amplas habilidades conceituais e técnicas necessárias para ter sucesso na pesquisa biológica moderna. Além disso, nossas instalações de última geração e excelente equipe de apoio permitem que os membros da comunidade IMB concentrem seus esforços na ciência.

O Instituto de Biologia Molecular se esforça para criar um ambiente inclusivo e acolhedor para cientistas de todas as origens raciais, étnicas, socioeconômicas e outras. O racismo sistêmico, até mesmo assassino, resultou em barreiras centenárias para os cientistas negros em particular. Estamos comprometidos com o difícil trabalho de derrubar essas barreiras. A liderança do IMB reconhece plenamente que nosso papel passado, presente e futuro como guardiões da ciência coloca sobre nós a responsabilidade de trabalhar para corrigir essas desigualdades. Também reconhecemos que nosso sucesso depende do envolvimento e do aprendizado com professores, funcionários, estagiários e a comunidade em geral para projetar e implementar soluções genuínas. Convidamos você a compartilhar suas idéias e juntar-se a nós no enfrentamento do racismo e do preconceito. Juntos, vamos cultivar um instituto que nutre a diversidade para melhorar a sociedade e, ao mesmo tempo, possibilitar uma ciência mais ousada e criativa.


A origem das máquinas moleculares - Biologia

Um longo caminho vai desde as origens da "vida" primitiva, que existia há pelo menos 3,5 bilhões de anos, até a profusão e diversidade da vida que existe hoje. Esse caminho é mais bem entendido como um produto da evolução.

Ao contrário da opinião popular, nem o termo nem a ideia de evolução biológica começaram com Charles Darwin e seu trabalho mais importante, Sobre a origem das espécies por meio da seleção natural (1859). Muitos estudiosos dos antigos filósofos gregos inferiram que espécies semelhantes descendiam de um ancestral comum. A palavra "evolução" apareceu pela primeira vez na língua inglesa em 1647 em uma conexão não biológica, e se tornou amplamente usada em inglês para todos os tipos de progressões a partir de começos mais simples. O termo Darwin mais freqüentemente usado para se referir à evolução biológica foi "descendência com modificação", que permanece uma boa definição breve do processo hoje.

Darwin propôs que a evolução poderia ser explicada pela sobrevivência diferencial dos organismos seguindo sua variação que ocorre naturalmente - um processo que ele chamou de "seleção natural". De acordo com essa visão, os descendentes dos organismos diferem uns dos outros e de seus pais de maneiras que são hereditárias - isto é, eles podem transmitir as diferenças geneticamente para seus próprios descendentes. Além disso, os organismos na natureza normalmente produzem mais descendentes do que podem sobreviver e se reproduzir, dadas as limitações de comida, espaço e outros recursos ambientais. Se uma determinada prole tem características que lhe dão uma vantagem em um determinado ambiente, esse organismo terá mais probabilidade de sobreviver e transmitir essas características. À medida que as diferenças se acumulam ao longo das gerações, as populações de organismos divergem de seus ancestrais.

A hipótese original de Darwin sofreu ampla modificação e expansão, mas os conceitos centrais permanecem firmes. Estudos em genética e biologia molecular - campos desconhecidos na época de Darwin - explicaram a ocorrência das variações hereditárias essenciais à seleção natural. Variações genéticas resultam de mudanças, ou mutações, na sequência de nucleotídeos do DNA, a molécula da qual os genes são feitos. Essas mudanças no DNA agora podem ser detectadas e descritas com grande precisão.

As mutações genéticas surgem por acaso. Eles podem ou não equipar o organismo com melhores meios para sobreviver em seu ambiente. Mas se uma variante do gene melhora a adaptação ao meio ambiente (por exemplo, permitindo que um organismo faça melhor uso de um nutriente disponível ou escape de predadores de forma mais eficaz - como por meio de pernas mais fortes ou disfarce de coloração), os organismos que carregam esse gene são mais propensos a sobreviver e reproduzir do que aqueles sem ele. Com o tempo, seus descendentes tenderão a aumentar, mudando as características médias da população. Embora a variação genética na qual a seleção natural atua seja baseada em elementos aleatórios ou ao acaso, a própria seleção natural produz mudança "adaptativa" - o oposto do acaso.

Os cientistas também compreenderam os processos pelos quais as novas espécies se originam. Uma nova espécie é aquela em que os indivíduos não podem acasalar e produzir descendentes viáveis ​​com indivíduos de uma espécie preexistente. A divisão de uma espécie em duas geralmente começa porque um grupo de indivíduos torna-se geograficamente separado do resto. Isso é particularmente aparente em ilhas remotas distantes, como Gal & aacutepagos e o arquipélago do Havaí, cuja grande distância das Américas e da Ásia significa que os colonizadores que chegam terão pouca ou nenhuma oportunidade de acasalar com indivíduos remanescentes nesses continentes. Montanhas, rios, lagos e outras barreiras naturais também são responsáveis ​​pela separação geográfica entre populações que antes pertenceram à mesma espécie.

Uma vez isolados, grupos de indivíduos separados geograficamente tornam-se geneticamente diferenciados como consequência da mutação e de outros processos, incluindo a seleção natural. A origem de uma espécie é freqüentemente um processo gradual, de modo que no início o isolamento reprodutivo entre grupos separados de organismos é apenas parcial, mas eventualmente se torna completo. Os cientistas prestam atenção especial a essas situações intermediárias, pois ajudam a reconstruir os detalhes do processo e a identificar genes específicos ou conjuntos de genes responsáveis ​​pelo isolamento reprodutivo entre as espécies.

Um exemplo particularmente atraente de especiação envolve as 13 espécies de tentilhões estudados por Darwin nas ilhas Gal e aacutepagos, agora conhecidos como tentilhões de Darwin. Os ancestrais desses tentilhões parecem ter emigrado do continente sul-americano para Gal e aacutepagos. Hoje, as diferentes espécies de tentilhões da ilha têm habitats, dietas e comportamentos distintos, mas os mecanismos envolvidos na especiação continuam a operar. Um grupo de pesquisa liderado por Peter e Rosemary Grant, da Universidade de Princeton, mostrou que um único ano de seca nas ilhas pode causar mudanças evolutivas nos tentilhões. A seca diminui o fornecimento de nozes facilmente quebráveis, mas permite a sobrevivência de plantas que produzem nozes maiores e mais duras. As secas, portanto, favorecem os pássaros com bicos fortes e largos que podem quebrar essas sementes mais duras, produzindo populações de pássaros com essas características. Os Grants estimam que, se ocorrerem secas a cada 10 anos nas ilhas, uma nova espécie de tentilhão poderá surgir em apenas 200 anos.

As seções a seguir consideram vários aspectos da evolução biológica em maiores detalhes, examinando a paleontologia, anatomia comparativa, biogeografia, embriologia e biologia molecular para obter mais evidências que apóiem ​​a evolução.

The Fossil Record

Embora tenha sido Darwin, acima de todos os outros, o primeiro a reunir evidências convincentes para a evolução biológica, os primeiros estudiosos reconheceram que os organismos na Terra haviam mudado sistematicamente durante longos períodos de tempo. Por exemplo, em 1799 um engenheiro chamado William Smith relatou que, em camadas ininterruptas de rocha, os fósseis ocorriam em uma ordem sequencial definida, com os mais modernos parecendo mais próximos do topo. Como as camadas inferiores de rocha logicamente foram estabelecidas antes e, portanto, são mais antigas do que as camadas superiores, a sequência de fósseis também poderia receber uma cronologia do mais antigo ao mais novo. Suas descobertas foram confirmadas e ampliadas na década de 1830 pelo paleontólogo William Lonsdale, que reconheceu que os restos fósseis de organismos de estratos inferiores eram mais primitivos do que os anteriores. Hoje, muitos milhares de depósitos de rochas antigas foram identificados e mostram sucessões correspondentes de organismos fósseis.

Assim, a seqüência geral de fósseis já havia sido reconhecida antes que Darwin concebesse a descendência com modificação. Mas os paleontólogos e geólogos anteriores a Darwin usaram a sequência de fósseis em rochas não como prova da evolução biológica, mas como base para calcular a sequência original de estratos rochosos que haviam sido estruturalmente perturbados por terremotos e outras forças.

Na época de Darwin, a paleontologia ainda era uma ciência rudimentar. Grandes partes da sucessão geológica de rochas estratificadas eram desconhecidas ou estudadas de forma inadequada.

Darwin, portanto, preocupava-se com a raridade das formas intermediárias entre alguns grupos principais de organismos.

Hoje, muitas das lacunas no registro paleontológico foram preenchidas pela pesquisa de paleontólogos. Centenas de milhares de organismos fósseis, encontrados em sequências de rochas bem datadas, representam sucessões de formas ao longo do tempo e manifestam muitas transições evolutivas. Como mencionado anteriormente, a vida microbiana do tipo mais simples já existia há 3,5 bilhões de anos. A evidência mais antiga de organismos mais complexos (ou seja, células eucarióticas, que são mais complexas que bactérias) foi descoberta em fósseis lacrados em rochas com aproximadamente 2 bilhões de anos. Organismos multicelulares, que são os fungos, plantas e animais familiares, foram encontrados apenas em estratos geológicos mais jovens. A lista a seguir apresenta a ordem em que surgiram formas de vida cada vez mais complexas:


Forma de vida Milhões de anos desde
Primeira Aparência Conhecida
(Aproximado)
Microbiana (células procarióticas) 3,500
Complexo (células eucarióticas) 2,000
Primeiros animais multicelulares 670
Animais com conchas 540
Vertebrados (peixes simples) 490
Anfíbios 350
Répteis 310
Mamíferos 200
Primatas não humanos 60
Primeiros macacos 25
Ancestrais australopitecinos dos humanos 4
Humanos modernos 0 0,15 (150.000 anos)

Tantas formas intermediárias foram descobertas entre peixes e anfíbios, entre anfíbios e répteis, entre répteis e mamíferos e ao longo das linhas de descendência dos primatas que muitas vezes é difícil identificar categoricamente quando ocorre a transição de uma espécie para outra. Na verdade, quase todos os fósseis podem ser considerados intermediários em algum sentido - são formas de vida que se colocam entre as formas que os precederam e as que se seguiram.

O registro fóssil, portanto, fornece evidência consistente de mudança sistemática ao longo do tempo - de descendência com modificação. A partir desse enorme corpo de evidências, pode-se prever que nenhuma reversão será encontrada em estudos paleontológicos futuros. Ou seja, os anfíbios não aparecerão antes dos peixes, nem os mamíferos antes dos répteis, e nenhuma vida complexa ocorrerá no registro geológico antes das células eucarióticas mais antigas. Esta previsão foi confirmada pelas evidências que se acumularam até agora: nenhuma reversão foi encontrada.

Estruturas Comuns

Inferências sobre descendência comum derivadas da paleontologia são reforçadas pela anatomia comparativa. Por exemplo, os esqueletos de humanos, camundongos e morcegos são muito semelhantes, apesar dos diferentes modos de vida desses animais e da diversidade de ambientes nos quais eles florescem. A correspondência desses animais, osso por osso, pode ser observada em todas as partes do corpo, incluindo os membros, mas uma pessoa escreve, um rato corre e um morcego voa com estruturas feitas de ossos que são diferentes em detalhes, mas semelhantes em geral estrutura e relação entre si.

Os cientistas chamam essas estruturas de homologias e concluíram que são mais bem explicadas pela descendência comum. Anatomistas comparativos investigam tais homologias, não apenas na estrutura óssea, mas também em outras partes do corpo, elaborando relações a partir de graus de similaridade. Suas conclusões fornecem inferências importantes sobre os detalhes da história evolutiva, inferências que podem ser testadas por comparações com a sequência de formas ancestrais no registro paleontológico.

O ouvido e a mandíbula dos mamíferos são exemplos em que a paleontologia e a anatomia comparativa se combinam para mostrar ancestralidade comum por meio de estágios de transição. A mandíbula inferior dos mamíferos contém apenas um osso, enquanto a dos répteis possui vários. Os outros ossos da mandíbula do réptil são homólogos aos ossos agora encontrados no ouvido dos mamíferos. Os paleontólogos descobriram formas intermediárias de répteis semelhantes aos mamíferos (Therapsida) com uma articulação da mandíbula dupla - uma composta dos ossos que persistem nas mandíbulas dos mamíferos, a outra consistindo de ossos que eventualmente se tornaram o martelo e a bigorna do ouvido dos mamíferos.

A Distribuição de Espécies

A biogeografia também contribuiu com evidências de descendência de ancestrais comuns. A diversidade da vida é estupenda. Aproximadamente 250.000 espécies de plantas vivas, 100.000 espécies de fungos e um milhão de espécies de animais foram descritas e nomeadas, cada uma ocupando seu próprio ambiente ou nicho ecológico peculiar, e o censo está longe de estar completo. Algumas espécies, como os seres humanos e nosso companheiro, o cachorro, podem viver em uma ampla variedade de ambientes. Outros são incrivelmente especializados. Uma espécie de fungo (Laboulbenia) cresce exclusivamente na parte posterior das asas de cobertura de uma única espécie de besouro (Aphaenops cronei) encontrada apenas em algumas cavernas do sul da França. As larvas da mosca Drosophila carcinophila podem se desenvolver apenas em sulcos especializados abaixo das abas do terceiro par de apêndices orais de um caranguejo terrestre encontrado apenas em certas ilhas do Caribe.

Como podemos tornar inteligível a diversidade colossal de seres vivos e a existência de criaturas tão extraordinárias e aparentemente caprichosas como o fungo, o besouro e a mosca descritos acima? E por que grupos de ilhas como Gal e aacutepagos são frequentemente habitados por formas semelhantes às do continente mais próximo, mas pertencendo a espécies diferentes? A teoria da evolução explica que a diversidade biológica resulta da adaptação dos descendentes de predecessores locais ou migrantes a seus diversos ambientes. Esta explicação pode ser testada examinando as espécies atuais e fósseis locais para ver se eles têm estruturas semelhantes, o que indicaria como um é derivado do outro. Além disso, deve haver evidências de que espécies sem ancestralidade local estabelecida migraram para a localidade.

Onde quer que esses testes tenham sido realizados, essas condições foram confirmadas. Um bom exemplo é fornecido pelas populações de mamíferos da América do Norte e do Sul, onde organismos nativos notavelmente diferentes evoluíram isoladamente até o surgimento do istmo do Panamá há aproximadamente 3 milhões de anos. Depois disso, o tatu, o porco-espinho e a gambá - mamíferos de origem sul-americana - migraram para o norte, junto com muitas outras espécies de plantas e animais, enquanto o leão-da-montanha e outras espécies norte-americanas cruzaram o istmo ao sul.

A evidência que Darwin encontrou para a influência da distribuição geográfica na evolução dos organismos tornou-se mais forte com o avanço do conhecimento. Por exemplo, aproximadamente 2.000 espécies de moscas pertencentes ao gênero Drosophila são encontradas agora em todo o mundo. Cerca de um quarto deles vive apenas no Havaí. Mais de mil espécies de caracóis e outros moluscos terrestres também são encontrados apenas no Havaí. A explicação biológica para a multiplicidade de espécies relacionadas em localidades remotas é que essa grande diversidade é uma consequência de sua evolução a partir de alguns ancestrais comuns que colonizaram um ambiente isolado. As ilhas havaianas estão longe de qualquer continente ou de outras ilhas e, com base nas evidências geológicas, nunca foram anexadas a outras terras. Assim, os poucos colonizadores que alcançaram as ilhas havaianas encontraram muitos nichos ecológicos disponíveis, onde puderam, ao longo de várias gerações, sofrer mudanças evolutivas e diversificação. Nenhum outro mamífero além de uma espécie de morcego vivia nas ilhas havaianas quando os primeiros colonizadores humanos chegaram da mesma forma, muitos outros tipos de plantas e animais estavam ausentes.

As ilhas havaianas não são menos hospitaleiras do que outras partes do mundo para as espécies ausentes. Por exemplo, porcos e cabras se multiplicaram na natureza no Havaí, e outros animais domésticos também prosperam lá. A explicação científica para a ausência de muitos tipos de organismos, e a grande multiplicação de alguns tipos, é que muitos tipos de organismos nunca chegaram às ilhas, devido ao seu isolamento geográfico. Os que chegaram às ilhas diversificaram-se ao longo do tempo devido à ausência de organismos relacionados que competissem por recursos.

Semelhanças durante o desenvolvimento

A embriologia, o estudo do desenvolvimento biológico desde o momento da concepção, é outra fonte de evidência independente para descendência comum. As cracas, por exemplo, são crustáceos sedentários com pouca semelhança aparente com outros
crustáceos como lagostas, camarões ou copépodes. Ainda assim, as cracas passam por um estágio larval de nado livre, no qual se parecem com outras larvas de crustáceos. A similaridade dos estágios larvais apóia a conclusão de que todos os crustáceos têm partes homólogas e uma ancestralidade comum.

Da mesma forma, uma grande variedade de organismos, de moscas de fruta a vermes, de camundongos a humanos, têm sequências de genes muito semelhantes que são ativas no início do desenvolvimento. Esses genes influenciam a segmentação ou orientação do corpo em todos esses grupos diversos. A presença de genes semelhantes fazendo coisas semelhantes em uma gama tão ampla de organismos é melhor explicada por terem estado presentes em um ancestral comum muito antigo de todos esses grupos.

Novas evidências da biologia molecular

O princípio unificador de descendência comum que emerge de todas as linhas de evidência anteriores está sendo reforçado pelas descobertas da bioquímica e da biologia molecular modernas.

O código usado para traduzir as sequências de nucleotídeos em sequências de aminoácidos é essencialmente o mesmo em todos os organismos. Além disso, as proteínas em todos os organismos são invariavelmente compostas do mesmo conjunto de 20 aminoácidos. Essa unidade de composição e função é um argumento poderoso a favor da descendência comum dos mais diversos organismos.

Em 1959, cientistas da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, determinaram as estruturas tridimensionais de duas proteínas encontradas em quase todos os animais multicelulares: hemoglobina e mioglobina. A hemoglobina é a proteína que transporta oxigênio no sangue. A mioglobina recebe oxigênio da hemoglobina e o armazena nos tecidos até que seja necessário. Essas foram as primeiras estruturas tridimensionais de proteínas a serem resolvidas e geraram alguns insights importantes. A mioglobina tem uma única cadeia de 153 aminoácidos envolvida em um grupo de ferro e outros átomos (chamados de "heme") aos quais o oxigênio se liga. A hemoglobina, em contraste, é composta por quatro cadeias: duas cadeias idênticas consistindo de 141 aminoácidos e duas outras cadeias idênticas consistindo de 146 aminoácidos. No entanto, cada cadeia tem um heme exatamente como o da mioglobina, e cada uma das quatro cadeias na molécula de hemoglobina é dobrada exatamente como a mioglobina. Ficou imediatamente óbvio em 1959 que as duas moléculas estão intimamente relacionadas.

Durante as duas décadas seguintes, as sequências de mioglobina e hemoglobina foram determinadas para dezenas de mamíferos, pássaros, répteis, anfíbios, peixes, vermes e moluscos. Todas essas sequências eram tão obviamente relacionadas que podiam ser comparadas com segurança com as estruturas tridimensionais de dois padrões selecionados - mioglobina de baleia e hemoglobina de cavalo. Ainda mais significativamente, as diferenças entre as sequências de diferentes organismos poderiam ser usadas para construir uma árvore genealógica da variação da hemoglobina e da mioglobina entre os organismos. Esta árvore concordou completamente com as observações derivadas da paleontologia e da anatomia sobre a descendência comum dos organismos correspondentes.

Histórias familiares semelhantes foram obtidas a partir de estruturas tridimensionais e sequências de aminoácidos de outras proteínas, como o citocromo c (uma proteína envolvida na transferência de energia) e as proteínas digestivas tripsina e quimiotripsina. O exame da estrutura molecular oferece uma ferramenta nova e extremamente poderosa para estudar as relações evolutivas. A quantidade de informação é potencialmente enorme - tão grande quanto as milhares de proteínas diferentes contidas nos organismos vivos, e limitada apenas pelo tempo e recursos dos biólogos moleculares.

À medida que a capacidade de sequenciar os nucleotídeos que constituem o DNA melhorou, também se tornou possível usar genes para reconstruir a história evolutiva dos organismos. Por causa das mutações, a sequência de nucleotídeos em um gene muda gradualmente ao longo do tempo. Quanto mais intimamente relacionados dois organismos forem, menos diferente será seu DNA. Como existem dezenas de milhares de genes em humanos e outros organismos, o DNA contém uma enorme quantidade de informações sobre a história evolutiva de cada organismo.

Os genes evoluem em taxas diferentes porque, embora a mutação seja um evento aleatório, algumas proteínas são muito mais tolerantes a mudanças em sua sequência de aminoácidos do que outras proteínas. Por esse motivo, os genes que codificam essas proteínas mais tolerantes e menos restritas evoluem mais rápido. A taxa média na qual um determinado tipo de gene ou proteína evolui dá origem ao conceito de "relógio molecular". Os relógios moleculares funcionam rapidamente para proteínas menos restritas e lentamente para proteínas mais restritas, embora eles sempre criem os mesmos eventos evolutivos.

A figura nesta página compara três relógios moleculares: para proteínas do citocromo C, que interagem intimamente com outras macromoléculas e são bastante restritas em suas sequências de aminoácidos para as hemoglobinas menos rigidamente restritas, que interagem principalmente com oxigênio e outras moléculas pequenas e para fibrinopeptídeos, que são fragmentos de proteínas que são cortados de proteínas maiores (fibrinogênios) quando o sangue coagula. O relógio dos fibrinopeptídeos corre rapidamente 1% dos aminoácidos mudam em pouco mais de 1 milhão de anos. No outro extremo, o relógio molecular funciona lentamente para o citocromo c, uma mudança de 1 por cento na sequência de aminoácidos requer 20 milhões de anos. O relógio da hemoglobina é intermediário.

O conceito de relógio molecular é útil para dois propósitos. Ele determina as relações evolutivas entre os organismos e indica o tempo no passado em que as espécies começaram a divergir umas das outras. Uma vez que o relógio para um determinado gene ou proteína foi calibrado por referência a algum evento cujo tempo é conhecido, o tempo cronológico real quando todos os outros eventos ocorreram pode ser determinado examinando a proteína ou árvore genética.

Uma linha adicional interessante de evidência que apóia a evolução envolve sequências de DNA conhecidas como "pseudogenes". Pseudogenes são remanescentes de genes que não funcionam mais, mas continuam a ser carregados no DNA como excesso de bagagem. Os pseudogenes também mudam com o tempo, à medida que são passados ​​de ancestrais para descendentes, e oferecem uma maneira especialmente útil de reconstruir relacionamentos evolutivos.

Com genes em funcionamento, uma possível explicação para a relativa similaridade entre genes de diferentes organismos é que seus modos de vida são semelhantes - por exemplo, os genes de um cavalo e de uma zebra poderiam ser mais semelhantes por causa de seus habitats e comportamentos semelhantes do que os genes de um cavalo e um tigre. Mas esta possível explicação não funciona para pseudogenes, uma vez que eles não desempenham nenhuma função. Em vez disso, o grau de semelhança entre os pseudogenes deve simplesmente refletir sua relação evolutiva. Quanto mais remoto for o último ancestral comum de dois organismos, mais diferentes serão seus pseudogenes.

A evidência da evolução da biologia molecular é esmagadora e está crescendo rapidamente. Em alguns casos, essa evidência molecular permite ir além da evidência paleontológica. Por exemplo, há muito se postula que as baleias descendem de mamíferos terrestres que retornaram ao mar. A partir de evidências anatômicas e paleontológicas, os parentes terrestres vivos mais próximos das baleias pareciam ser os mamíferos de cascos pares (gado, ovelhas, camelos, cabras modernos, etc.). Comparações recentes de alguns genes de proteínas do leite (beta-caseína e kappa-caseína) confirmaram essa relação e sugeriram que o parente vivo mais próximo das baleias pode ser o hipopótamo. Nesse caso, a biologia molecular aumentou o registro fóssil.

Criacionismo e as evidências da evolução

Alguns criacionistas citam o que dizem ser um registro fóssil incompleto como evidência do fracasso da teoria da evolução. O registro fóssil estava incompleto na época de Darwin, mas muitas das lacunas importantes que existiam então foram preenchidas por pesquisas paleontológicas subsequentes. Talvez a evidência fóssil mais persuasiva da evolução seja a consistência da sequência de fósseis do início ao recente. Lugar nenhum

Na Terra encontramos, por exemplo, mamíferos em estratos Devonianos (a idade dos peixes), ou fósseis humanos coexistindo com restos de dinossauros. Os estratos não perturbados com organismos unicelulares simples são anteriores àqueles com organismos multicelulares, e os invertebrados precedem os vertebrados em nenhum lugar onde essa sequência foi encontrada invertida. Fósseis de estratos adjacentes são mais semelhantes do que fósseis de estratos temporalmente distantes. A conclusão científica mais razoável que pode ser tirada do registro fóssil é que a descendência com modificação ocorreu conforme declarado na teoria da evolução.

Os criacionistas especiais argumentam que "ninguém viu a evolução ocorrer." Isso perde o ponto sobre como a ciência testa as hipóteses. Não vemos a Terra girando em torno do Sol ou dos átomos que constituem a matéria. Nós "vemos" suas consequências. Os cientistas inferem que os átomos existem e a Terra gira porque testaram as previsões derivadas desses conceitos por extensa observação e experimentação.

Além disso, em uma escala menor, "experienciamos" a evolução ocorrendo todos os dias. As mudanças anuais nos vírus da gripe e o surgimento de bactérias resistentes a antibióticos são ambos produtos de forças evolutivas. Na verdade, a rapidez com que organismos com tempos de geração curtos, como bactérias e vírus, podem evoluir sob a influência de seus ambientes é de grande importância médica. Muitos experimentos de laboratório mostraram que, por causa da mutação e da seleção natural, esses microrganismos podem mudar de maneiras específicas em relação aos das gerações imediatamente anteriores.

Em uma escala maior, a evolução dos mosquitos resistentes aos inseticidas é outro exemplo da tenacidade e adaptabilidade dos organismos sob estresse ambiental. Da mesma forma, os parasitas da malária se tornaram resistentes aos medicamentos que foram usados ​​extensivamente para combatê-los por muitos anos. Como consequência, a malária está a aumentar, com mais de 300 milhões de casos clínicos de malária ocorrendo todos os anos.

Os dados evolutivos moleculares contrapõem-se a uma proposição recente chamada "teoria do design inteligente". Os proponentes dessa ideia argumentam que a complexidade estrutural é prova da mão direta de Deus ao criar organismos especialmente como são hoje. Esses argumentos ecoam os do clérigo do século 18, William Paley, que sustentava que o olho dos vertebrados, por causa de sua organização intrincada, foi especialmente projetado em sua forma atual por um Criador onipotente. Os proponentes do design inteligente dos dias modernos argumentam que as estruturas moleculares, como o DNA, ou processos moleculares, como as muitas etapas pelas quais o sangue passa quando coagula, são tão irredutivelmente complexas que só podem funcionar se todos os componentes funcionarem ao mesmo tempo. Assim, os proponentes do design inteligente dizem que essas estruturas e processos não poderiam ter evoluído no modo gradual característico da seleção natural.

No entanto, estruturas e processos que são considerados "irredutivelmente" complexos normalmente não passam por uma inspeção mais detalhada. Por exemplo, é incorreto supor que uma estrutura complexa ou processo bioquímico pode funcionar apenas se todos os seus componentes estiverem presentes e funcionando como os vemos hoje. Sistemas bioquímicos complexos podem ser construídos a partir de sistemas mais simples por meio da seleção natural. Assim, a "história" de uma proteína pode ser rastreada por meio de organismos mais simples. Os peixes sem mandíbula têm uma hemoglobina mais simples do que os peixes com mandíbula, que por sua vez têm uma hemoglobina mais simples do que os mamíferos.

A evolução de sistemas moleculares complexos pode ocorrer de várias maneiras. A seleção natural pode reunir partes de um sistema para uma função de cada vez e então, em um momento posterior, recombinar essas partes com outros sistemas de componentes para produzir um sistema que tem uma função diferente. Os genes podem ser duplicados, alterados e então amplificados por meio da seleção natural. A complexa cascata bioquímica que resulta na coagulação do sangue foi explicada dessa maneira.


Diversidade de sistemas e mecanismos de ação CRISPR-Cas

Em termos gerais, existem duas classes principais [64] de sistemas CRISPR-Cas, que abrangem cinco tipos principais e 16 subtipos diferentes com base em cas conteúdo genético, cas arquitetura de operon, sequências de proteínas Cas e processos que fundamentam as etapas acima mencionadas (Fig. 1) [65, 66]. A primeira classe é definida por complexos efetores multiproteicos (Cascade, Cmr, Csm) e abrange os tipos I, III e IV. Em particular, os sistemas do tipo I são os sistemas mais frequentes e difundidos, que têm como alvo o DNA de uma forma dirigida por Cascade e dependente de PAM, destruindo os ácidos nucleicos alvo usando a proteína de assinatura Cas3 [26, 28, 67-71] (Fig. 2). Muitos estudos levaram a uma extensa caracterização bioquímica e estrutural das proteínas efetoras e complexos proteína-DNA-RNA implicados nos sistemas CRISPR-Cas tipo I [20, 23, 24, 46, 72-77]. Da mesma forma, os sistemas do tipo III ocorrem frequentemente em arquéias e são caracterizados pelos complexos multiproteína Csm [78-82] ou Cmr [16, 83-95], eles operam de uma maneira independente de PAM e podem clivar DNA ou RNA usando a assinatura Cas10 proteína juntamente com nucleases efetoras, como Cmr4 (a RNase dentro do complexo Cmr para sistemas tipo III-B) [85, 95] e Csm3 (a RNase dentro do complexo Csm para sistemas tipo III-A) [81, 82]. Curiosamente, vários estudos recentes revelaram que os sistemas CRISPR-Cas do tipo III podem realmente ter como alvo ambos os tipos de ácido nucleico, por meio de RNA co-transcricional e clivagem de DNA [80, 82]. Especificamente, locais ativos distintos dentro do complexo efetor de ribonucleoproteína Cas10-Csm conduzem a clivagem de DNA guiada por RNA co-transcricional e clivagem de RNA [80]. Os sistemas do tipo IV são bastante raros e ainda precisam ser caracterizados em termos de distribuição e função.

Diversidade de máquinas moleculares CRISPR-Cas. Existem duas classes principais de sistemas CRISPR-Cas, que são definidas pela natureza de suas nucleases efetoras Cas, constituídas por complexos multiproteicos (classe 1) ou por uma única proteína de assinatura (classe 2). Para sistemas de classe 1, os principais tipos de sistemas CRISPR-Cas incluem sistemas tipo I e tipo III. Ilustrado aqui como exemplo, o Escherichia coli Sistema K12 tipo I-E (superior esquerdo) tem como alvo sequências flanqueadas por um PAM localizado em 5 '. Os RNAs guia são gerados por Cascade, de uma maneira definida por Cas6 e normalmente contêm um identificador 5 'de oito nucleotídeos derivado da repetição CRISPR, uma sequência espaçadora completa e um grampo de cabelo 3' derivado da repetição CRISPR. Após o corte da fita alvo, a exonuclease 3 ′ a 5 ′ Cas3 destrói o DNA alvo de uma maneira direcional. No Pyrococcus furiosus Sistema DSM 3638 tipo III-B (inferior esquerdo), um guia de crRNA curto direciona o complexo Cmr para o RNA de fita simples complementar de uma maneira independente de PAM. Para o tipo canônico II-A Streptococcus thermophilus Sistema LMD-9 (canto superior direito), um guia crRNA-tracrRNA duplo gerado por Cas9 e RNase III tem como alvo uma sequência complementar de DNA PAM flanqueada 3 'para a gênese de uma quebra de fita dupla precisa usando dois domínios de nickase (RuvC e HNH). Para o Francisella Novicida Sistema U112 tipo V (inferior direito), um único RNA guia tem como alvo dsDNA complementar flanqueado por um 5'-PAM usando Cpf1, que gera uma quebra escalonada de dsDNA. Cascata Complexo associado a CRISPR para defesa antiviral, CRISPR agrupado com repetição palindrômica curta regularmente interespaçada, crRNA RNA CRISPR, dsDNA DNA de fita dupla, eu líder, nt nucleotídeo, PAM motivo adjacente do protoespaçador, ssRNA RNA de fita simples, tracrRNA RNA CRISPR transativador

Em contraste, a segunda classe é definida por proteínas efetoras únicas e abrange os tipos II e V. Os sistemas do tipo II são definidos pela popular endonuclease Cas9 [22], que depende de guias crRNA-tracrRNA duplos [30] que direcionam o RuvC e HNH domínios de nickase para gerar quebras cegas precisas de DNA em sequências de DNA alvo flanqueadas por um PAM 3ʹ [22, 31-34, 96, 97]. Os sistemas Tipo V são raros e caracterizados pela assinatura da nuclease Cpf1, que é guiada por um único crRNA que direciona esta endonuclease semelhante a RuvC para corte escalonado de dsDNA para produzir extremidades pegajosas em sequências de DNA alvo flanqueadas por um 5 ′ PAM [98] .

Recentemente, vários estudos mostraram que, embora os sistemas CRISPR-Cas geralmente funcionem em três estágios distintos, envolvendo processos moleculares peculiares e várias máquinas moleculares Cas, as etapas de adaptação e interferência podem realmente ser acopladas [48, 99-101], o que é consistente com a hipótese de priming [48, 102-104]. Especificamente, a ligação diferencial determina se o DNA alvo cognato deve ser destruído como parte da via de interferência, ou se sequências parcialmente complementares devem ser direcionadas para a via de adaptação [48]. O acoplamento dos estágios de adaptação e interferência também reflete sua co-dependência nas sequências Cas9 e PAM em sistemas do tipo II [100, 101, 105], e implica um modelo 'cortar e colar' em vez de 'copiar e colar' [ 100].

No geral, uma ampla diversidade genética e funcional dos sistemas imunológicos CRISPR-Cas ocorre nos genomas de muitas bactérias e na maioria das arquéias. Os denominadores comuns incluem imunidade codificada por DNA dentro de matrizes CRISPR que produzem pequenos RNAs guia, que definem alvos específicos de sequência para nucleases Cas e subsequente clivagem de ácido nucleico. O universal cas1 e cas2 os genes, implicados na aquisição de espaçadores mediados por integrase, polarizados e específicos para sequências e estruturas, durante o estágio de adaptação [106–108], estão presentes em todos os tipos e subtipos caracterizados nas duas classes principais. Em contraste, há uma variabilidade substancial entre classes, tipos e subtipos em relação à natureza, sequência e estrutura dos RNAs CRISPR e proteínas Cas envolvidas, a dependência e localização das sequências PAM e a natureza do ácido nucleico alvo. Ao todo, isso ilustra a extensa diversidade multidimensional dos sistemas CRISPR-Cas, suas funções biológicas nativas e o potencial relativo para várias aplicações biotecnológicas e industriais.

A diversidade dos sistemas CRISPR-Cas reflete suas várias funções funcionais. Embora a função primária estabelecida dos sistemas CRISPR-Cas seja a imunidade adaptativa contra elementos genéticos invasivos, como plasmídeos e vírus, vários estudos os implicaram independentemente em outras funções, incluindo controle de transcrição endógeno, bem como resistência ao estresse, patogenicidade e regulação de biofilme formação [63, 109-114].

Estudos futuros são antecipados para determinar a justificativa para os vieses de distribuição em vários grupos filogenéticos, para a ausência de sistemas CRISPR-Cas em tantas bactérias e para desvendar as ligações funcionais entre a imunidade e outros processos biológicos essenciais, como a homeostase e o reparo do DNA. Um enigma intrigante sobre os sistemas CRISPR-Cas é sua ausência em aproximadamente metade dos genomas bacterianos sequenciados até o momento, apesar de seu valor evolutivo intuitivo. Outra consideração importante é se os vieses observados na amostragem do proto-espaçador durante a adaptação se correlacionam com os vieses de eficiência para o estágio de interferência. Especificamente, vieses de adaptação do espaçador foram observados repetidamente em sistemas tipo I [115, 116] e em sistemas tipo II [105, 117], implicando quebras de DNA dependentes de replicação em forquilhas de replicação, sítios Chi e interação com a maquinaria de reparo de DNA RecBCD, e, portanto, será importante determinar se isso também explica a variabilidade da eficiência do espaçador durante a interferência.


Molecular Machine Group, Media Lab

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Receptores de citocinas solúveis em água fundidos com o domínio Fc de IgG podem ser terapêuticos para tempestades de citocinas

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O Dr. Zhang é amplamente considerado um dos fundadores da área de nanomateriais peptídicos. Ele descobriu uma classe de peptídeos iônicos auto-complementares que sofrem automontagem molecular para formar nanofibras bem ordenadas e estruturas membranosas.

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Código QTY projetado para receptores quiméricos termoestáveis ​​e solúveis em água com afinidade de ligante sintonizável. [ligação]

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Somos todos cientistas chineses

Os pesquisadores descrevem como uma repressão do governo à influência estrangeira os está afetando após uma declaração de apoio de sua universidade.

Entrevista da China Science Communication (em chinês)

The Excitement of Discovery: Selected Papers of Alexander Rich. Uma homenagem a Alexander Rich. [link] https://doi.org/10.1142/11055 | Janeiro de 2019. Páginas: 624. Editado por: Shuguang Zhang (Instituto de Tecnologia de Massachusetts, EUA)

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Investidores chineses recorrem à US Biotechs (Entrevista da Nature Biotechnology, 02/2013)
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Aproveitando as células solares da natureza (MIT News, 2/3/2012) [pdf local]


As definições de AES / aes, bem como os critérios usados ​​para classificá-las em ordem temporal e particioná-las em fases, são apresentadas no Apêndice SI para o SSU e em nosso trabalho anterior (10) para o LSU. As margens entre as fases são um tanto indistintas, e as fases originais da LSU (10) foram ligeiramente ajustadas aqui para contabilizar os dados da SSU. Estruturas secundárias de rRNAs LSU e SSU são retiradas de nossa galeria pública (apollo.chemistry.gatech.edu/RibosomeGallery/), e os dados são mapeados pelo servidor web RiboVision (23). A análise 3D da expansão ancestral foi realizada usando o ribossomo 70S de E. coli (Código de ID do banco de dados de proteínas 4V9D) (25). Informações adicionais que suportam o modelo de acreção estão disponíveis em Apêndice SI, Materiais e métodos.

Dedicamos este manuscrito à memória do Professor Alexander Rich. Agradecemos a Sra. Susann Orth pela ajuda na preparação das figuras. Este trabalho foi financiado em parte pelo Instituto Nacional de Astrobiologia da Agência Espacial e Aeronáutica Grant NNA09DA78A.


A origem das máquinas moleculares - Biologia

Sobre o Molecular Machinery Viewer

Esta visão interativa do maquinário molecular no arquivo PDB permite que os usuários selecionem uma estrutura, acessem uma visão 3D da entrada usando o NGL Viewer, leiam um breve resumo da função biológica da molécula e acessem a entrada PDB correspondente e a coluna Molécula do Mês .

Clicar no botão "Auto" inicia um tour automatizado pelas estruturas. Cada estrutura será destacada e a visualização 3D percorrerá uma sequência de mudanças de estilo e cor.

Clique aqui para ver ou baixar a versão impressa em PDF deste pôster (

Autores: David S. Goodsell, Alexander Rose, Maria Voigt, Rob Lowe

Sobre o arquivo do Protein Data Bank

As células constroem muitas máquinas moleculares complexas que realizam as tarefas biológicas necessárias à vida. Algumas dessas máquinas são tesouras moleculares que cortam os alimentos em pedaços digestíveis. Outros usam essas peças para construir novas moléculas quando as células crescem ou os tecidos precisam ser reparados. Algumas máquinas moleculares formam feixes robustos que sustentam as células, e outras são motores que usam energia para rastejar ao longo desses feixes. Alguns reconhecem os atacantes e mobilizam defesas contra a infecção.

Pesquisadores de todo o mundo estão estudando essas moléculas em nível atômico. Essas estruturas 3D estão disponíveis gratuitamente no Protein Data Bank (PDB), o depósito central de estruturas biomoleculares. Alguns exemplos do

100.000 estruturas mantidas no PDB são mostradas aqui com cada átomo representado como uma pequena esfera. A enorme gama de tamanhos moleculares é ilustrada aqui, desde a molécula de água (H2O) com apenas três átomos até as subunidades ribossômicas com centenas de milhares de átomos.


Assista o vídeo: Desvendando o Mistério da Vida: a causa científica do projeto inteligente (Dezembro 2022).