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Sind molekulare Maschinen in der DNA kodiert?

Sind molekulare Maschinen in der DNA kodiert?


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Ich habe nicht viel Ahnung von Molekularbiologie. Auf Youtube habe ich mir das "Innenleben der Zelle" angeschaut, was meine Neugier auf die Entstehung dieser molekularen Maschinen geweckt hat. Mein einfaches Verständnis ist, dass, wenn diese molekularen Maschinen in der DNA kodiert sind, sie durch Mechanismen wie die natürliche Selektion "entfaltbar" sind. Ist das der Fall? Und wenn ja, können wir herausfinden, welcher Teil der DNA-Sequenz die Kodierung für diese molekulare Maschine wie das Kinesin hat? Werden auch molekulare Motormaschinen von der RNA synthetisiert?


Jawohl.

Die "molekularen Maschinen", auf die Sie sich beziehen, sind bestimmte Proteine.

Das spezifische, auf das Sie sich beziehen, Kinesin, ist an der Bewegung entlang von Mikrotubuli beteiligt, einem Teil der Struktur des Zellskeletts, aber andere Proteine ​​fungieren als ihre eigene Art von Maschine, um ihre eigenen Aufgaben zu erfüllen: manchmal katalysieren sie eine biochemische Reaktion, oder Reagieren auf eine Art von Stimulus oder Bilden einer Form oder Struktur oder Kombinationen aller der oben genannten.

Proteinkodierende DNA-Abschnitte sind gut untersucht, und es gibt umfangreiche Datenbanken bekannter Proteine. Wenn Sie zu Wikipedia gehen, sehen Sie eine ganze Liste verschiedener Kinesine, wenn Sie auf eines klicken, zum Beispiel KIF1A, auf der rechten Seite wird Ihnen angezeigt, dass es auf Chromosom 2 in einem Menschen gefunden wird, beginnend bei 240.713.764 Basenpaaren und endend bei 240.820.308 Basenpaaren. Dort befinden sich auch Informationen für die Maus.

Proteine ​​im DNA-basierten Leben werden alle synthetisiert, indem zuerst ein RNA-Transkript aus der DNA hergestellt wird, das effektiv eine RNA-Kopie eines kurzen DNA-Abschnitts ist, das dann in Protein übersetzt wird. An diesem Prozess sind auch andere RNA-Moleküle beteiligt, als rRNA-Teil des Ribosoms (eine Art „Proteinfabrik“) sowie tRNA, die die Aminosäurebausteine ​​von Proteinen beim Aufbau trägt. Transkription und Translation sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Biologie auf molekularer und zellulärer Ebene.

Nicht nur kann alle Proteine, von Kinesin bis Kollagen, entwickeln sich, sie alle verfügen über wurden durch natürliche Selektion und andere evolutionäre Mechanismen entwickelt, und sie entwickeln sich auch heute noch in allen lebenden Organismen weiter. Ohne Evolution gäbe es keine Biologie. Die RNA-basierte Biologie (heute meist einige der Viren) unterliegt auch evolutionären Mechanismen, so dass dies nicht nur für die DNA, sondern für die Vererbung und die Biologie im Allgemeinen gilt.


Ja, es ist fair zu sagen, dass molekulare Maschinen in der DNA kodiert sind. Wie Sie sagen, ist Kinesin eine molekulare Maschine - ein Motorprotein, das Moleküle entlang von Mikrotubuli bewegt, die auch Proteine ​​​​sind. Proteinenzyme sind eine der häufigsten molekularen Maschinen in Zellen – sie bauen unter anderem Moleküle auf und abbauen. Membrankanäle sind auch Proteine, und man könnte sie molekulare Maschinen nennen - ich stelle mir eine Zugbrücke vor, die Großsegler passieren lässt, wenn sie geöffnet ist und nicht, wenn sie geschlossen ist, obwohl Kanäle eher Löcher in der Zellmembran als Zugbrücken sind.

Die Basensequenz [A, G, C und T] in der DNA sagt der Zelle, welches Protein sie herstellen soll. Und ja, in den DNA-Sequenzen treten Mutationen auf, die zu mutierten Proteinen führen - oder zu Proteinvarianten, weil es oft mehrere Versionen eines Proteins gibt, die gut funktionieren.

Der Wikipedia-Artikel – https://en.wikipedia.org/wiki/Kinesin – erzählt von der Familie der Kinese-Proteine, die von einer entsprechenden Familie von Genen in der DNA kodiert werden.

Ja – RNA ist wichtig bei der Synthese molekularer Maschinen. Es trägt Kopien der DNA-Codes für verschiedene Proteine ​​in unseren Genen. Es hat 3 der gleichen Basen ['Buchstaben'] wie DNA - A, G und C, aber anstelle von T hat es U, das in der RNA-Sequenz überall dort hingehört, wo T in der DNA wäre. Die RNA-Kopien der Gene gehen zum Ribosom, einer erstaunlichen molekularen Fabrik, die die Informationen in den RNA-Kopien der Gene aufnimmt und daraus Proteine ​​herstellt, die Aminosäuren anstelle der 4 Basen von DNA und RNA enthalten.


Neue Entdeckung zeigt, dass menschliche Zellen RNA-Sequenzen in DNA schreiben können

Zellen enthalten eine Maschinerie, die DNA in einen neuen Satz dupliziert, der in eine neu gebildete Zelle eingeht. Dieselbe Klasse von Maschinen, Polymerasen genannt, bauen auch RNA-Nachrichten, die wie Notizen aus dem zentralen DNA-Rezeptspeicher kopiert werden, damit sie effizienter in Proteine ​​eingelesen werden können. Es wurde jedoch angenommen, dass Polymerasen nur in einer Richtung von DNA zu DNA oder RNA arbeiten. Dadurch wird verhindert, dass RNA-Botschaften in das Master-Rezeptbuch der genomischen DNA zurückgeschrieben werden. Jetzt liefern Forscher der Thomas Jefferson University den ersten Beweis dafür, dass RNA-Segmente in DNA zurückgeschrieben werden können, was möglicherweise das zentrale Dogma der Biologie in Frage stellt und weitreichende Auswirkungen auf viele Bereiche der Biologie haben könnte.

„Diese Arbeit öffnet die Tür zu vielen anderen Studien, die uns helfen werden, die Bedeutung eines Mechanismus zur Umwandlung von RNA-Nachrichten in DNA in unseren eigenen Zellen zu verstehen“, sagt Richard Pomerantz, PhD, außerordentlicher Professor für Biochemie und Molekularbiologie an der Thomas Jefferson University . "Die Tatsache, dass eine menschliche Polymerase dies mit hoher Effizienz tun kann, wirft viele Fragen auf." Dieser Befund legt zum Beispiel nahe, dass RNA-Nachrichten als Vorlagen für die Reparatur oder das Umschreiben von genomischer DNA verwendet werden können.

Die Arbeit wurde am 11. Juni in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

Zusammen mit dem Erstautor Gurushankar Chandramouly und anderen Mitarbeitern begann das Team von Dr. Pomerantz mit der Untersuchung einer sehr ungewöhnlichen Polymerase, der Polymerase Theta. Von den 14 DNA-Polymerasen in Säugerzellen übernehmen nur drei den Großteil der Arbeit, das gesamte Genom zu duplizieren, um die Zellteilung vorzubereiten. Die restlichen 11 sind hauptsächlich daran beteiligt, einen Bruch oder Fehler in den DNA-Strängen zu erkennen und zu reparieren. Polymerase Theta repariert DNA, ist aber sehr fehleranfällig und macht viele Fehler oder Mutationen. Die Forscher stellten daher fest, dass einige der "schlechten" Eigenschaften von Polymerase Theta diejenigen waren, die sie mit einer anderen zellulären Maschine teilte, wenn auch eine bei Viren häufiger - der Reversen Transkriptase. Wie Pol Theta fungiert die HIV-Reverse-Transkriptase als DNA-Polymerase, kann aber auch RNA binden und RNA in einen DNA-Strang zurücklesen.

In einer Reihe eleganter Experimente testeten die Forscher die Polymerase Theta gegen die Reverse Transkriptase von HIV, die eine der am besten untersuchten ihrer Art ist. Sie zeigten, dass Polymerase Theta in der Lage war, RNA-Nachrichten in DNA umzuwandeln, was sie genauso gut wie die reverse Transkriptase von HIV tat, und dass sie tatsächlich eine bessere Arbeit leistete, als wenn sie DNA in DNA duplizierte. Polymerase Theta war effizienter und führte weniger Fehler ein, wenn eine RNA-Matrize zum Schreiben neuer DNA-Nachrichten verwendet wurde, als wenn DNA in DNA dupliziert wurde, was darauf hindeutet, dass diese Funktion der Hauptzweck in der Zelle sein könnte.

Die Gruppe arbeitete mit dem Labor von Dr. Xiaojiang S. Chen am USC zusammen und verwendete Röntgenkristallographie, um die Struktur zu definieren, und stellte fest, dass dieses Molekül seine Form ändern konnte, um das sperrigere RNA-Molekül aufzunehmen – eine Leistung, die unter Polymerasen einzigartig ist.

"Unsere Forschung legt nahe, dass die Hauptfunktion der Polymerase Theta darin besteht, als reverse Transkriptase zu wirken", sagt Dr. Pomerantz. "In gesunden Zellen könnte der Zweck dieses Moleküls in der RNA-vermittelten DNA-Reparatur liegen. In ungesunden Zellen wie Krebszellen wird Polymerase Theta stark exprimiert und fördert das Wachstum von Krebszellen und die Medikamentenresistenz. Es wird spannend sein, weiter zu verstehen, wie" Die Aktivität von Polymerase Theta auf RNA trägt zur DNA-Reparatur und zur Vermehrung von Krebszellen bei."

Diese Forschung wurde durch die NIH-Zuschüsse 1R01GM130889-01 und 1R01GM137124-01 sowie R01CA197506 und R01CA240392 unterstützt. Diese Forschung wurde auch teilweise durch ein Stipendium der Tower Cancer Research Foundation unterstützt.


Das Buch in DNA schreiben

(BOSTON) – Obwohl George Churchs nächstes Buch nicht vor dem 2. Oktober in die Regale kommt, hat es bereits eine beneidenswerte Marke überschritten: 70 Milliarden Exemplare – ungefähr das Dreifache der Summe der Top 100 Bücher aller Zeiten.

Und sie passen auf Ihr Thumbnail.

Derzeit gibt es 70 Milliarden Exemplare des in Kürze erscheinenden Buches Regenesis, die alle in Form von DNA gespeichert sind.

Das liegt daran, dass Church, ein Gründungsmitglied der Kernfakultät des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University und Robert Winthrop Professor of Genetics an der Harvard Medical School, und sein Team das Buch in DNA kodierten, Regenesis: Wie die synthetische Biologie die Natur und uns selbst in der DNA neu erfinden wird, die sie dann dekodiert und kopiert.

Als Datenbank der Biologie reizt die DNA die Forscher seit langem mit ihrem Potenzial als Speichermedium: fantastisch dicht, stabil, energieeffizient und bewährt über einen Zeitraum von rund 3,5 Milliarden Jahren. Obwohl es nicht das erste Projekt war, das das Potenzial der DNA-Speicherung demonstrierte, verband das Team von Church die Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation mit einer neuartigen Strategie, um das 1.000-fache der bisher in DNA gespeicherten Datenmenge zu kodieren.

Das Team berichtet über seine Ergebnisse in der Ausgabe des Journals vom 17. August Wissenschaft.

Die Forscher verwendeten Binärcode, um den Text, die Bilder und die Formatierung des Buches zu erhalten. Während der Maßstab ungefähr dem entspricht, was eine 5 1/4-Zoll-Diskette einst hielt, liegt die Dichte der Bits fast außerhalb der Charts: 5,5 Petabit oder 1 Million Gigabit pro Kubikmillimeter. “Die Informationsdichte und der Umfang lassen sich gut mit anderen experimentellen Speichermethoden aus der Biologie und Physik vergleichen,”, sagte Sriram Kosuri, leitender Wissenschaftler am Wyss Institute und leitender Autor des Artikels. Zum Team gehörte auch Yuan Gao, ein ehemaliger Wyss-Postdoc, der heute außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der Johns Hopkins University ist.

Und wo einige experimentelle Medien – wie die Quantenholographie – unglaublich kalte Temperaturen und enorme Energie erfordern, ist DNA bei Raumtemperatur stabil. “Sie können es ablegen, wo immer Sie wollen, in der Wüste oder in Ihrem Garten, und es wird 400.000 Jahre später dort sein,” Church.

Das Lesen und Schreiben in DNA ist jedoch langsamer als in anderen Medien, wodurch es besser für die Archivierung großer Datenmengen geeignet ist als für den schnellen Abruf oder die Datenverarbeitung. "Stellen Sie sich vor, Sie hätten überall wirklich billige Videorecorder"", sagte Church. “Malen Sie einfach die Wände mit Videorekordern. Und meistens nehmen sie nur auf und niemand geht jemals zu ihnen. Aber wenn etwas wirklich Gutes oder wirklich Schlechtes passiert, möchten Sie an der Wand kratzen und sehen, was Sie haben. Etwas, das molekular ist, ist also so viel energieeffizienter und kompakter, dass Sie Anwendungen in Betracht ziehen können, die zuvor unmöglich waren.”

Etwa vier Gramm DNA könnten theoretisch die digitalen Daten speichern, die die Menschheit in einem Jahr erzeugt.

Obwohl bei anderen Projekten Daten in der DNA lebender Bakterien verschlüsselt wurden, verwendete das Team der Kirche kommerzielle DNA-Mikrochips, um eigenständige DNA herzustellen. "Wir haben absichtlich lebende Zellen vermieden", sagte Church. “In einem Organismus ist Ihre Nachricht ein winziger Bruchteil der gesamten Zelle, daher wird viel Platz verschwendet. Aber was noch wichtiger ist, fast sobald eine DNA in eine Zelle eindringt, wenn diese DNA ihren Unterhalt nicht verdient, wenn sie evolutionär nicht vorteilhaft ist, beginnt die Zelle, sie zu mutieren, und schließlich wird die Zelle sie vollständig löschen.& #8221

In einer anderen Abkehr lehnte das Team die sogenannte “shotgun-Sequenzierung” ab, bei der lange DNA-Sequenzen durch die Identifizierung von Überlappungen in kurzen Strängen wieder zusammengesetzt werden. Stattdessen orientierten sie sich an der Informationstechnologie und kodierten das Buch in 96-Bit-Datenblöcke mit jeweils einer 19-Bit-Adresse, um den Zusammenbau zu erleichtern. Einschließlich JPEG-Bildern und HTML-Formatierungen benötigte der Code für das Buch 54.898 dieser Datenblöcke, jeder eine einzigartige DNA-Sequenz. “Wir wollten veranschaulichen, wie die moderne Welt wirklich voller Nullen und Einsen ist, nicht nur durch Zs,”, sagte Kosuri.

Das Team diskutierte, jeder Druckausgabe von Regenesis eine DNA-Kopie beizufügen. Aber in dem Buch plädieren Church und sein Co-Autor, der Wissenschaftsautor Ed Regis, für eine sorgfältige Überwachung der synthetischen Biologie und die Überwachung ihrer Produkte und Werkzeuge. Die Autoren praktizierten das, was sie predigen, und entschieden sich gegen ein DNA-Insert – zumindest bis es viel mehr Diskussionen über die Sicherheit und Ethik der Verwendung von DNA auf diese Weise gab. "Vielleicht das nächste Buch", sagte Church.

Diese Arbeit wurde vom US Office of Naval Research (N000141010144), Agilent Technologies und dem Wyss Institute unterstützt.

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David Cameron, Harvard Medical School
617.960.7221
[email protected]

Twig Mowatt, Wyss Institute for Biomedical Engineering
617.432.1547
[email protected]

Das Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University nutzt die Designprinzipien der Natur, um bioinspirierte Materialien und Geräte zu entwickeln, die die Medizin verändern und eine nachhaltigere Welt schaffen. Zusammenarbeit als Allianz zwischen den Harvard’s Schools of Medicine, Engineering und Arts & Sciences und in Partnerschaft mit dem Beth Israel Deaconess Medical Center, dem Boston Children’s Hospital, dem Brigham and Women’s Hospital, Dana Farber Cancer Institute, Massachusetts General Hospital, der University of Massachusetts Medical School, dem Spaulding Rehabilitation Hospital, der Tufts University und der Boston University überwindet das Institut disziplinäre und institutionelle Barrieren, um risikoreiche Forschung zu betreiben, die zu transformativen technologischen Durchbrüchen führt. Durch die Nachahmung der Prinzipien der Natur für Selbstorganisation und Selbstregulierung entwickeln Wyss-Forscher innovative neue technische Lösungen für Gesundheitswesen, Energie, Architektur, Robotik und Fertigung. Diese Technologien werden durch Kooperationen mit klinischen Prüfärzten, Unternehmensallianzen und neuen Start-ups in kommerzielle Produkte und Therapien umgesetzt.

Harvard Medizinschule hat mehr als 7.500 Vollzeit-Fakultäten, die in 11 akademischen Abteilungen auf dem Bostoner Campus der Schule oder in einer von 47 klinischen Abteilungen in Krankenhäusern an 16 mit Harvard verbundenen Lehrkrankenhäusern und Forschungsinstituten arbeiten. Zu diesen Partnern gehören das Beth Israel Deaconess Medical Center, das Brigham and Women’s Hospital, die Cambridge Health Alliance, das Children’s Hospital Boston, das Dana-Farber Cancer Institute, Harvard Pilgrim Health Care, Hebrew SeniorLife, Joslin Diabetes Center, Judge Baker Children’s Center , Massachusetts Eye and Ear Infirmary, Massachusetts General Hospital, McLean Hospital, Mount Auburn Hospital, Schepens Eye Research Institute, Spaulding Rehabilitation Hospital und VA Boston Healthcare System.


Molekulare Maschinen und der Platz der Physik im Biologielehrplan

Bildnachweis: PLOS Blogs

Neulich sah ich mir unverschuldet die Lehrveranstaltungen unseres Molekularbiologie-Grundstudiums an. Ich entdeckte die Voraussetzung für einen 5-Kredit-Stunden-Physikkurs und die Empfehlung, diesen Kurs im Abschlussjahr der Studenten zu belegen – ein Punkt in ihrem Studium, an dem die meisten bereits ihre erforderlichen Biologiekurse abgeschlossen haben. Ich war verwirrt, was war der Sinn eines Einführungskurses in Physik im Rahmen eines Hauptfachs der Molekularbiologie? War dies ein Beispiel für eine Zeitreise (über Wurmlöcher oder eine andere esoterische Vorstellung), bei der ein zukünftiger Physikkurs das Verständnis der Studenten für Molekularbiologie in der Vergangenheit beeinflusst? Ich war auch überrascht von der Möglichkeit, dass die Notwendigkeit eines solchen Kurses im Abschlussjahr der Studenten ihre Zeit bis zum Abschluss messbar beeinflussen würde.

Auf der Suche nach Klarheit und möglicher Erleuchtung reflektierte ich meine eigenen Erfahrungen in einem Biologie-Grundstudium – als praktizierende Zell- und Molekularbiologin war ich etwas verwirrt. Ich konnte den Zweck unserer Physikanforderungen nicht genau bestimmen, außer vielleicht das bewundernswerte Ziel, Doktoranden der Physik zu unterstützen. Aber dann, nach fieberhaften Überlegungen über die Verantwortlichkeiten der Fakultäten bei der Gestaltung der Kurse und Curricula, die sie ihren Studenten vorschreiben, und den allgemeineren Konzepten der (besten) Unterrichtspraxis und des Fehlverhaltens, beruhigte sich mein Geist, vielleicht weil ich von einem Artikel abgelenkt wurde auf Oxford Nanopores MinION (→) "tragbares Echtzeitgerät für DNA- und RNA-Sequenzierung", ein Gerät, das an den USB-Port des Laptops angeschlossen wird! Abgelenkt von dem potenziell quixotischen Problem, wie man eine effektive Bildungsreform im Grundstudium durchsetzen kann, wurde ich von einer unersättlichen Neugier (oder einer tiefsitzenden Unsicherheit) getrieben, um sicherzustellen, dass ich tatsächlich verstand, wie diese neueste Generation von DNA-Sequenzern funktionierte. Dies führte mich zu einem Artikel von Meni Wanunu (2012. Nanopores: A Journey to DNA Sequencing). Als ich den Artikel las, kehrte ich zu meiner ursprünglichen Überzeugung zurück, ja, das Verständnis der Physik ist entscheidend für die Entwicklung eines Verständnisses der Funktionsweise biologischer Systeme auf molekularer Ebene, ABER es war einfach nicht die Physik, die normalerweise Studenten auferlegt (erforderlich ist). Das war sicherlich keine neue Idee. Bruce Alberts hatte zu diesem Thema mehrmals geschrieben, am dramatischsten in seinem 1989 erschienenen Aufsatz "Die Zelle als Sammlung molekularer Maschinen". Ziemlich traurig und trotz vieler Händeringen über die Bedeutung der Erweiterung des Interesses der Schüler an und des Verständnisses von MINT-Fächern hat sich in diesem Bereich nicht viel Wesentliches getan. Während (einige Minderheiten) Physikkurse im Sinne von Hake aktive Engagement-Pädagogik eingeführt haben mögen, bestehen die meisten darauf, makroskopische Physik zu lehren, anstatt sich auf die für biologische Systeme relevante Physik auf molekularer Ebene zu konzentrieren oder sie sogar zu berücksichtigen, explizit die Physik von Proteinmaschinen im zellulären (biologischen) Kontext. Warum leider? Denn konventionelle, das heißt biologisch nicht relevante Einführungskurse in Physik und Chemie, dienen allzu oft der Rolle eines Schikanenrituals, das viele Studierende aus den Biowissenschaften vertreibt, teilweise weil sie für die Interessen der Studierenden an der Funktionsweise biologischer Systeme.

Der Sequencer von Nanopore und der Artikel von Wanunu brachten mich dazu, wieder über biologische Maschinen nachzudenken, von denen es eine große Anzahl gibt, von Pumpen, Propellern und Rudern bis hin zu verschiedenen Arten von Transportern, molekularen Truckern, die Chromosomen, Membranvesikel und Zellteile in Bezug auf die Bewegung bewegen untereinander, zu DNA-Detanglern, Protein-Entfaltern und molekularen Recyclern (→). Der Nanopore-Sequenzer funktioniert, weil sich ein einzelner DNA- (oder RNA-)Strang durch eine enge Pore bewegt, die verschiedenen Basen (A, C, T, G) die Pore unterschiedlich stark verschließen, was eine unterschiedliche Anzahl von Ionen und unterschiedliche Stromstärken ermöglicht , um die Pore zu passieren. Diese Stromunterschiede können nachgewiesen werden und ermöglichen das Ablesen der Nukleotidsequenz, wenn sich der Nukleinsäurestrang durch die Pore bewegt. Um den Prozess zu verstehen, muss man verstehen, wie sich Moleküle bewegen, d. h. die Physik molekularer Kollisionen und Energieübertragung, wie Proteine ​​und Membranen die Ionenbewegung zulassen und einschränken und den Einfluss chemischer Gradienten und elektrischer Felder über eine Membran auf die molekularen Bewegungen – alles physikalische Konzepte von weitreichende Bedeutung in biologischen Systemen. Solche Ideen können auf allgemeinere Fragen der Bewegung von Molekülen innerhalb der Zelle und der Auswirkungen von Molekülgröße und intermolekularen Wechselwirkungen in einer konzentrierten Lösung von Proteinen, Proteinpolymeren, Lipidmembranen und Nukleinsäuren erweitert werden, wie in beschrieben Oliverira et al., Erhöhte Zytoplasmaviskosität behindert die aggregierte polare Segregation in Escherichia coli. Auf molekularer Ebene sind die Prozesse zwar durch elektrische Felder (Potentiale) und Konzentrationsgradienten beeinflusst, aber stochastisch (verrauscht). Das Verständnis stochastischer Prozesse ist für Studenten schwierig, aber entscheidend, um ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie solche Prozesse zu phänotypischen Unterschieden zwischen Zellen mit dem gleichen Genotyp führen können (vorheriger Beitrag) und wie solche lauten Prozesse von der Zelle und innerhalb eines mehrzelligen Organismus verwaltet werden.

Da der Weg auf den Weg führt, dachte ich an die (← adaptiert von Joshi et al., 2017) speerspannende Proteinmaschine, die im pathogenen Bakterium Vibrio cholerae vorhanden ist. Diese molekulare Maschine wird verwendet, um Giftstoffe in Nachbarn zu injizieren, denen das Bakterium passiert stoßen (siehe Joshi et al., 2017. Rules of Engagement: The Type VI Secretion System in Vibrio cholerae). Das System ist komplex und wirkt wie eine federunterstützte und eher "unmenschliche" Mausefalle. Dies ist eines von mehreren bakteriellen Typ-VI-Systemen und "hat strukturelle und funktionelle Homologie zum T4-Bakteriophagen-Schwanzdorn und -Röhrchen" - der molekularen Maschine, die Bakterienzellen mit dem genetischen Material des Virus, seiner DNA, injiziert.

Der Bau des speerbasierten Injektionssystems des Bakteriums wird durch ein soziales System (Quorum Sensing) gesteuert (vorheriger Beitrag). Eine der Möglichkeiten, mit der solche Organismen bestimmen, ob sie allein sind oder in einer Umgebung leben, die von anderen Organismen überfüllt ist. Während des Zusammenbaus wird potentielle Energie, die aus verschiedenen chemisch gekoppelten, thermodynamisch günstigen Reaktionen gewonnen wird, sowohl in den Typ VI "Speeren" als auch in den kontraktilen (Nukleinsäure injizierenden) Schwänzen der Bakterienviren (Phagen) gespeichert. Die Energetik dieses Prozesses zu verstehen, zum Beispiel wie die Kopplung thermodynamisch günstiger chemischer Reaktionen wie der ATP-Hydrolyse oder physikalisch-chemischer Reaktionen wie der Diffusion von Ionen entlang eines elektrochemischen Gradienten genutzt werden kann, um diese "Mausfallen" zu setzen, und zu verstehen, wohin die Energie fließt, wenn die Fallen ausgelöst werden, ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Schüler für diese und eine breite Palette anderer molekularer Maschinen.

Energie, die in solchen molekularen Maschinen während ihres Zusammenbaus gespeichert ist, kann verwendet werden, um die Zelle zu bewegen. Beispielsweise erzeugt ein anderes bakterielles System kontraktile (Pili-)Filamente (Typ IV Pili). weit verbreitete Nanomaschinen aus Typ-IV-Pilins: die prokaryotischen Schweizer Taschenmesser). Es wurde auch festgestellt, dass die Kontraktion eines solchen Filaments verwendet wird, um DNA in die Zelle zu importieren, der erste Schritt im Prozess des horizontalen Gentransfers. In anderen Situationen (anderen molekularen Maschinen) greifen solche Proteinfilamente auf thermodynamisch günstige Prozesse zu, um zu rotieren, wirken wie ein Propeller und treiben die Zellbewegung an.

Während meines voreingenommenen zufälligen Spaziergangs durch die Literatur stieß ich auf eine andere, aber molekular unterschiedliche Maschine, mit der DNA in Vibrio importiert wurde (siehe Matthey & Blokesch 2016. The DNA-Uptake Process of Naturally Competent Vibrio cholerae). Diese molekulare Maschine ermöglicht es dem Bakterium, DNA aus der Umwelt zu importieren, die vielleicht von einem Nachbarn freigesetzt wurde, der von seinem Speer getötet wurde. In diesem System (adaptiert nach Matthey & Bioesch et al., 2017 →) wird das doppelsträngige DNA-Molekül zunächst durch die äußere Membran des Bakteriums ("OM") transportiert, dann werden die beiden DNA-Stränge getrennt und ein Strang passiert einen Kanal Protein durch die innere (Plasma-)Membran und in das Zytoplasma, wo es mit der genomischen DNA des Bakteriums interagieren kann.

Der Wert der Einführung der Studenten in die Idee molekularer Maschinen besteht darin, dass sie verwendet werden kann, um zu entmystifizieren, wie biologische Systeme funktionieren, wie solche Maschinen bestimmte Funktionen ausführen, sei es, um die Zelle zu bewegen oder beschädigte DNA zu erkennen und zu reparieren. Wenn Physik im biologischen Curriculum eine Rolle spielt, ist dies aus diesem Grund wichtig – sie begründet die Kernprämisse der Biologie, dass Organismen nicht von "lebenswichtigen" Kräften angetrieben werden, sondern von prosaischen physiochemischen Kräften. Gleichzeitig bieten die molekularen Mechanismen der Evolution, wie Mutation, Genduplikation und genomische Reorganisation, die Möglichkeit, aus bereits bestehenden Strukturen neue Strukturen hervorzubringen zu evolutionären Mechanismen in ihrer erforderlichen Kurssequenz – stellen Sie sich das vor, die Physik, aber keine Evolution erfordern?

Ein letzter Punkt in Bezug auf die frühzeitige Belegung eines biologisch relevanten Physikkurses ist, dass damit ein meiner Meinung nach kritischer und oft missverstandener Punkt bekräftigt werden kann. Während biologische Systeme auf molekularen Maschinen beruhen, sind wir (und damit meine ich alle Organismen) KEINE Maschinen, egal was Physiker postulieren – siehe We Are All Machines That Think. Wir sind etwas Anderes und Besonderes. Unser Verhalten und unsere Gefühle, ob letztendlich verständlich oder nicht, entstehen aus der Interaktion genetisch kodierter, stochastisch getriebener Nichtgleichgewichtssysteme, die durch evolutionäre, umweltbedingte, soziale und eine Reihe unvorhersehbarer Ereignisse modifiziert werden, die ununterbrochen und im Grunde ungerichtet ablaufen zum

3,5 Milliarden Jahre. Während wir eingeschränkt sind, sind wir mehr, auf eine seltsame und wahrscheinlich letztendlich unverständliche Weise.

Meni Wanunu. Nanoporen: Eine Reise zur DNA-Sequenzierung, Physik des Lebens Bewertungen (2012). DOI: 10.1016/j.plrev.2012.05.010

Bruce Alberts. Die Zelle als Sammlung von Proteinmaschinen: Vorbereitung der nächsten Generation von Molekularbiologen, Zelle (2004). DOI: 10.1016/S0092-8674(00)80922-8

Richard R. Seehecht. Interaktives Engagement versus traditionelle Methoden: Eine 6.000-Studenten-Umfrage zu mechanischen Testdaten für einführende Physikkurse, American Journal of Physics (2005). DOI: 10.1119/1.18809

Samuel M. D. Oliveira et al. Erhöhte Zytoplasma-Viskosität behindert die polare Aggregatsegregation in Escherichia coli, Molekulare Mikrobiologie (2015). DOI: 10.1111/mmi.13257

K. Garvin-Doxas et al. Verstehen des Zufalls und seiner Auswirkungen auf das Lernen von Schülern: Erkenntnisse aus der Erstellung des Biologie-Konzeptinventars (BCI), Zellbiologische Bildung (2008). DOI: 10.1187/cbe.07-08-0063

Avatar Joshi et al. Einsatzregeln: Das Typ-VI-Sekretionssystem bei Vibrio cholerae, Trends in der Mikrobiologie (2016). DOI: 10.1016/j.tim.2016.12.003

Jamie-Lee-Berryet al. Aussergewöhnlich weit verbreitete Nanomaschinen aus Typ-IV-Pilins: die prokaryotischen Schweizer Taschenmesser, FEMS Mikrobiologie Bewertungen (2015). DOI: 10.1093/femsre/fuu001

P.Seitzet al. DNA-Aufnahmemaschinerie von natürlich kompetenten Vibrio cholerae, Proceedings of the National Academy of Sciences (2013). DOI: 10.1073/pnas.1315647110


DNA-Nanotechnologie: DNA als molekularer Baustoff

In den letzten Jahren hat sich die DNA eher als Baumaterial für den Aufbau von Nanostrukturen herauskristallisiert als als Träger genetischer Informationen. Die neue Forschungsdisziplin DNA-Nanotechnologie macht sich die strengen Basenpaarungsregeln zunutze, die der Bildung von DNA-Doppelhelix-Strukturen zugrunde liegen, dh, dass nur komplementäre Nukleotidsequenzen aneinander binden. Dies ermöglicht das Design von Nukleotidsequenzen, die sich selektiv zu definierten Strukturen wie DNA-Röhrchen oder Gittern oder sogar zu funktionellen Einheiten, sogenannten molekularen Maschinen, die Bewegung ausüben können, zusammenfügen.

Möglich wird dies durch die Basenpaarungseigenschaften der DNA, die dafür sorgen, dass sogenannte Sticky Ends – hervorstehende einzelsträngige Regionen – Nukleotidsequenzen aufweisen, die mit komplementären einzelsträngigen Regionen Basenpaare bilden. Dies eröffnet zahlreiche Anwendungen im Bereich der Nanotechnologie. Durch die Verwendung von klebrigen Enden können DNA-Grids spezifisch an ein bestimmtes Zielmolekül binden und als Sensoren verwendet werden. Eine weitere Vision ist die Entwicklung biologischer Computer und die Nutzung der DNA als digitaler Datenspeicher. Dies scheint eine gute Idee zu sein, da DNA-Speichersysteme dichter mit Daten gepackt werden können und daher kompakter sind als alle Festplattenspeichersysteme. Unsere genetische Information ist in den vier Basen so dicht gespeichert, dass sie in alle unsere Körperzellen passt. Forscher haben bereits eine Auswahl von Büchern in künstlich hergestellte DNA-Abschnitte codiert und damit den Nachweis erbracht, dass es möglich ist, riesige Datenmengen in der DNA zu speichern. Für eine breite Anwendung ist das Verfahren jedoch noch viel zu teuer.


Ist Leben in der „Ursuppe“ über DNA oder RNA entstanden? Vielleicht beide

Wissenschaftler haben lange darüber diskutiert, welcher genetische Informationsträger – DNA oder RNA – das Leben auf der Erde begann, aber eine neue Studie legt nahe, dass das Leben mit etwas von beidem hätte beginnen können. Die von Wissenschaftlern des Medical Research Council (MRC) Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge geleitete Forschung zeigt zum ersten Mal, wie sich einige der Bausteine ​​sowohl der DNA als auch der RNA spontan gebildet und nebeneinander existieren können die „Ursuppe“ auf der Erde.

Die Arbeit stellt eine der führenden Hypothesen für das Aufkommen des Lebens in Frage – die Theorie der „RNA-Welt“, die in den 60er Jahren aufkam und breite Akzeptanz gefunden hat.

Heute verwenden alle bekannten lebenden Organismen dieselben genetischen Moleküle – Nukleinsäuren genannt – um Informationen zu speichern. Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA und RNA. DNA kodiert Anweisungen in Genen. Gene werden mithilfe von RNA in Nachrichten umgewandelt, die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthält. Proteine ​​können Strukturen bilden und als molekulare Maschinen agieren.

In der Theorie der "RNA-Welt" begann das Leben mit RNA-Molekülen, die sowohl Anweisungen speichern als auch als bescheidene Maschine fungieren können, die es ihnen möglicherweise ermöglicht, sich selbst zu replizieren. Sie schlägt vor, dass das Leben in der RNA-Welt durch die Evolution der Ära der DNA und der Proteine ​​gewichen ist, weil DNA stabiler und haltbarer ist als RNA.

In der aktuellen Studie, erschienen in Natursimulierten die Forscher die Bedingungen auf einer urzeitlichen Felserde mit flachen Teichen im Labor. Sie lösten Chemikalien, die RNA bilden, in Wasser, trockneten sie dann und erhitzten sie, dann simulierten sie die Strahlen der frühen Sonne, indem sie sie UV-Strahlung aussetzten.

Bei dieser Neuauflage der frühen Geochemie der Erde wurden auch Zwischenprodukte der Synthese zweier RNA-Bausteine ​​gleichzeitig in zwei DNA-Bausteine ​​umgewandelt.

Es ist der erste Nachweis, dass angemessene Mengen eines genetischen Alphabets, das aus vier Bausteinen besteht, zwei für RNA und zwei für DNA – möglicherweise ausreichend, um frühes Leben kodiert zu haben, das weit weniger komplex war als das heutige Leben – auf der Urerde.

Professor John Sutherland vom MRC Laboratory of Molecular Biology, der die Arbeit leitete, sagt: "Die RNA-Welthypothese legt nahe, dass das Leben mit RNA begann, bevor eine genetische Übernahme mit primitiver Biosynthesemaschinerie und natürlicher Selektion stattfand, die zu DNA führte."

„Unsere Arbeit legt nahe, dass unter Bedingungen, die mit flachen Urteichen und Bächen übereinstimmen, zu Beginn des Lebens ein gemischtes genetisches System mit RNA- und DNA-Bausteinen existierte. Dies erfüllt, was viele Menschen für eine wichtige Voraussetzung für die spontane Entstehung von . halten Leben auf der Erde."

Die Experimente des Teams zur Simulation der frühen Geochemie der Erde zeigten, dass vier der Bausteine ​​für DNA und RNA aus denselben Reagenzien und Bedingungen entstehen können. Sie produzierten Cytidin und Uridin, zwei der Bausteine ​​der RNA, und Desoxyadenosin, eines der Bausteine ​​der DNA. Desoxyadenosin wurde teilweise in Desoxyinosin umgewandelt, das die Rolle eines weiteren DNA-Bausteins übernehmen kann.

They believe that these four building blocks may have coexisted before life evolved and were the beginnings of a primitive genetic alphabet.

Professor Sutherland adds: "The nucleic acids, RNA and DNA, are clearly related and this work suggests that they both derive from a hybrid ancestor, rather than one preceding the other."

"Since genetic information always flows from nucleic acids to proteins, and never in reverse—a principle called the 'central dogma' of molecular biology by Francis Crick—we now need to uncover how the information which can be stored and purveyed by these nucleic acids could have been first used to make to proteins."

Understanding the chemical origins of life is a fundamental aspect of natural science, and can inform the design of future synthetic biology.

Dr. Megan Dowie, head of molecular and cellular medicine at the MRC commented: "This study shows that blue skies research can reveal fascinating insights into how the very beginnings of life may have emerged, and demonstrates the importance of supporting fundamental research. These underpinning discoveries in the life sciences could enable exciting future strategies for artificial biology."


Selected list of molecular machines:

I. Molecular Machines that Scientists Have Argued Show Irreducible Complexity

1. Bacterial Flagellum: The flagellum is a rotary motor in bacteria that drives a propeller to spin, much like an outboard motor, powered by ion flow to drive rotary motion. Capable of spinning up to 100,000 rpm, 13 one paper in Trends in der Mikrobiologie called the flagellum “an exquisitely engineered chemi-osmotic nanomachine nature’s most powerful rotary motor, harnessing a transmembrane ion-motive force to drive a filamentous propeller.” 14 Due to its motor-like structure and internal parts, one molecular biologist wrote in the journal Zelle, “[m]ore so than other motors, the flagellum resembles a machine designed by a human.” 15 Genetic knockout experiments have shown that the E coli flagellum is irreducibly complex with respect to its approximately 35 genes. 16 Despite the fact that this is one of the best studied molecular machines, a 2006 review article in Natur Bewertungen Mikrobiologie admitted that “the flagellar research community has scarcely begun to consider how these systems have evolved.” 17

2. Eukaryotic Cilium: The cilium is a hair-like, or whip-like structure that is built upon a system of microtubules, typically with nine outer microtubule pairs and two inner microtubules. The microtubules are connected with nexin arms and a paddling-like motion is instigated with dynein motors. 18 These machines perform many functions in Eukaryotes, such as allowing sperm to swim or removing foreign particles from the throat. Michael Behe observes that the “paddling” function of the cilium will fail if it is missing any microtubules, connecting arms, or lacks sufficient dynein motors, making it irreducibly complex. 19

3. Aminoacyl-tRNA Synthetases (aaRS): aaRS enzymes are responsible for charging tRNAs with the proper amino acid so they can accurately participate in the process of translation. In this function, aaRSs are an “aminoacylation machine.” 20 Most cells require twenty different aaRS enzymes, one for each amino acid, without which the transcription/translation machinery could not function properly. 21 As one article in Zellbiologie International stated: “The nucleotide sequence is also meaningless without a conceptual translative scheme and physical ‘hardware’ capabilities. Ribosomes, tRNAs, aminoacyl tRNA synthetases, and amino acids are all hardware components of the Shannon message ‘receiver’. But the instructions for this machinery is itself coded in DNA and executed by protein ‘workers’ produced by that machinery. Without the machinery and protein workers, the message cannot be received and understood. And without genetic instruction, the machinery cannot be assembled.” 22 Arguably, these components form an irreducibly complex system. 23

4. Blood clotting cascade: The blood coagulation system “is a typical example of a molecular machine, where the assembly of substrates, enzymes, protein cofactors and calcium ions on a phospholipid surface markedly accelerates the rate of coagulation.” 24 According to a paper in BioEssays, “the molecules interact with cell surface (molecules) and other proteins to assemble reaction complexes that can act as a molecular machine.” 25 Michael Behe argues, based upon experimental data, that the blood clotting cascade has an irreducible core with respect to its components after its initiation pathways converge. 26

5. Ribosome: The ribosome is an “RNA machine” 27 that “involves more than 300 proteins and RNAs” 28 to form a complex where messenger RNA is translated into protein, thereby playing a crucial role in protein synthesis in the cell. Craig Venter, a leader in genomics and the Human Genome Project, has called the ribosome “an incredibly beautiful complex entity” which requires a “minimum for the ribosome about 53 proteins and 3 polynucleotides,” leading some evolutionist biologists to fear that it may be irreducibly complex. 29

6. Antibodies and the Adaptive Immune System: Antibodies are “the ‘fingers’ of the blind immune system—they allow it to distinguish a foreign invader from the body itself.” 30 But the processes that generate antibodies require a suite of molecular machines. 31 Lymphocyte cells in the blood produce antibodies by mixing and matching portions of special genes to produce over 100,000,000 varieties of antibodies. 32 This “adaptive immune system” allows the body to tag and destroy most invaders. Michael Behe argues that this system is irreducibly complex because many components must be present for it to function: “A large repertoire of antibodies won’t do much good if there is no system to kill invaders. A system to kill invaders won’t do much good if there’s no way to identify them. At each step we are stopped not only by local system problems, but also by requirements of the integrated system.” 33

II. Additional Molecular Machines

7. Spliceosome: The spliceosome removes introns from RNA transcripts prior to translation. According to a paper in Zelle, “In order to provide both accuracy to the recognition of reactive splice sites in the pre-mRNA and flexibility to the choice of splice sites during alternative splicing, the spliceosome exhibits exceptional compositional and structural dynamics that are exploited during substrate-dependent complex assembly, catalytic activation, and active site remodeling.” 34 A 2009 paper in PNAS observed that “[t]he spliceosome is a massive assembly of 5 RNAs and many proteins” 35 —another paper suggests “300 distinct proteins and five RNAs, making it among the most complex macromolecular machines known.” 36

8. F0F1 ATP Synthase: According to cell biologist and molecular machine modeler David Goodsell, “ATP synthase is one of the wonders of the molecular world.” 37 This protein-based molecular machine is actually composed of two distinct rotary motors which are joined by a stator: As the F0 motor is powered by protons, it turns the F1 Motor. This kinetic energy is used like a generator to synthesize adenosine triphosphate (ATP), the primary energy carrying molecule of cells. 38

9. Bacteriorhdopsin: Bacteriorhodopsin “is a compact molecular machine” that uses that sunlight energy to pump protons across a membrane. 39 Embedded in the cell membrane, it consists of seven helical structures that span the membrane. It also contains retinal, a molecule which changes shape after absorbing light. Photons captured by retinal are forced through the seven helices to the outside of the membrane. 40 When protons flow back through the membrane, ATP is formed.

10. Myosin: Myosin is a molecular motor that moves along a “track”—in this case actin filaments—to form the basis of muscle movement or to transport cargoes within the cell. 41 Muscles use molecular machines like myosin to “convert chemical energy into mechanical energy during muscle contraction.” 42 In fact, muscle movement requires the “combined action of trillions of myosin motors.” 43

11. Kinesin Motor: Much like myosin, kinesin is a protein machine that binds to and carries cargoes by “crawl[ing] hand-over-hand along a microtubule” in the cell. 44 Kinesins are powerful enough to drag large cellular organelles through the cell as well as vesicles or aid in assembly of bipolar spindles, or depolymerization of microtubules. 45

12. Tim/Tom Systems: Tim or Tom systems are selective protein pump machines that import proteins across the inner (Tim) and outer (Tom) membranes of mitochondria into the interior matrix of the mitochondria. 46

13. Calcium Pump: The calcium pump is an “amazing machine with several moving parts“ that transfers calcium ions across the cell membrane. It is a machine that uses a 4-step cycle during the pump process. 47

14. Cytochrome C Oxidase: Cytochrome C Oxidase qualifies as a molecular machine “since part of the redox free energy is transduced into a proton electrochemical gradient.” 48 The enzyme’s function is to carefully control the final steps of food oxidation by combining electrons with oxygen and hydrogen to form water, thereby releasing energy. It uses copper and iron atoms to aid in this process. 49

15. Proteosome: The proteosome is a large molecular machine whose parts must be must be carefully assembled in a particular order. For example, the 26S proteosome has 33 distinct subunits which enable it to perform its function to degrade and destroy proteins that have been misfolded in the cell or otherwise tagged for destruction. 50 One paper suggested that a particular eukaryotic proteasome “is the core complex of an energy-dependent protein degradation machinery that equals the protein synthesis machinery in its complexity.” 51

16. Cohesin: Cohesin is molecular machine “multisubunit protein complex” 52 and “a macromolecular complex that links sister chromatids together at the metaphase plate during mitosis.” 53

17. Condensin: Condensin is a molecular machine that helps to condense and package chromosomes for cell replication. It is a five subunit complex, and is “the key molecular machine of chromosome condensation.” 54

18. ClpX: ClpX is a molecular machine that uses ATP to both unfold proteins and then transport unfolded proteins into another complex in the cell. It moves these proteins into the ClpP complex. 55

19. Immunological Synapse: The immunological synapse is a molecular machine that serves as an interface to activate of T cells. Once an immunological synapse is completely formed, T Cells are activated and proliferate, sparking key part of the immune response. 56

20. Glideosome: The glideosome is a “macromolecular complex” and an “elaborate machine” 57 whose function is to allow protozoa to rely on gliding motility over various substrates.

21. Kex2: Kex2 is a molecular machine that facilitates cell fusion during the mating of yeast it likely works by degrading cell walls. 58

22. Hsp70: Hsp70 is one of many molecular machines that serve as chaperones that not only assist other proteins in reaching a proper functional conformation (i.e. proper folding) but also helping them to be transported to the proper location in the cell. 59

23. Hsp60: Hsp60 is another chaperone machine – it is tailored to provide “an enclosed environment for folding proteins which totally protects them as they fold.” 60 It is composed of multiple proteins which form a barrel shaped structure with a cap. 61 Once an unfolded protein is inside, it can fold properly.

24. Protein Kinase C: Protein Kinase C is a molecular machine that is activated by certain calcium and diacylglycerol signals in the cell. It thus acts as an interpreter of electrical signals, as one paper in Zelle wrote: “This decoding mechanism may explain how cPKC isoforms can selectively control different cellular processes by relying on selective patterns of calcium and diacylglycerol signals.” 62

25. SecYEG PreProtein Translocation Channel: The SecYE complex is vital to the operation of “translocation machinery” which works to move molecules across membranes in the cell. 63

26. Hemoglobin: Molecular machine modeller David Goodsell observes that “Hemoglobin is a remarkable molecular machine that uses motion and small structural changes to regulate its action.” 64 Hemoglobin uses iron within its protein structure to carry oxygen from the lungs to the rest of the body through the blood.

27. T4 DNA Packaging Motor: The T4 DNA is one of various packaging motors that are “powerful molecular motors” which emplace viral genomes into capsules called procapsids. 65 Once viral genome packaging is complete, “the DNA packaging motor is released and the separately assembled tail is attached to produce the mature infectious viral particle.” 66

28. Smc5/Smc6: Smc5/Smc6 is a complex machine that is involved with the structural maintenance of chromosomes with regards to cohesions and condensins, 67 and works to remove cohesin from damaged chromosomes prior to chromosomal separation, 68 and may also work to repair and untangle DNA. 69

29. Cytplasmic Dynein: Cytplasmic dynein is a machine involved with cargo transport and movement cell that functions like a motor with a “power stroke.” 70 In particular, it transports nuclei in fungi and neurons in mammalian brains. 71

30. Mitotic Spindle Machine: The mitotic spindle is a highly dynamic self-assembling complex molecular machine composed of tubulin, motors, and other molecules which assembles around the chromosomes and segregates them into daughter cells during mitosis. 72

31. DNA Polymerase: The DNA polymerase is a multiprotein machine that creates a complementary strand of DNA from a template strand. 73 The DNA polymerase is not only the “central component of the DNA replication machinery,” 74 but it “plays the central role in the processes of life,” 75 since it is responsible for the copying of DNA from generation to generation. During the polymerization process, it remains tethered to the DNA using a protein-based sliding clamp. 76 It is extremely accurate, making less than one mistake per billion bases, aided by its ability to proofread and fix mistakes. 77

32. RNA Polymerase: Like its DNA polymerase counterpart, the function of the RNA polymerase is to create a messenger RNA strand from a DNA template strand. Called “a huge factory with many moving parts,” 78 it is a “directional machine and, indeed, as a molecular motor” where it functions “as a dynamic, fluctuating, molecular motor capable of producing force and torque.” 79

33. Kinetochore: The kinetochore is a “proteinaceous structure that assembles on centromeric chromatin and connects the centromere to spindle microtubules.” 80 Called a “macromolecular protein machine,” 81 it is composed of over 80 protein components 82 it aids in separating chromosomes during cell division.

34. MRX Complex: The MRX complex forms telomere length counting machinery that measures the integrity of telomeres, the structures that protect the ends of eukaryotic chromosomes. Properly measuring telomere length is vital to ensure proper cell lifetime and genome stability. 83 Yeast use the MRX complex via a “’protein-counting’ mechanism whereby higher numbers of proteins bound by a longer telomere repeat tract ultimately inhibit telomerase activity at that particular telomere.” 84

35. Apoptosome / Caspase: While many molecular machines keep a cell alive, there are even machines that are programmed to cause cell death, or apoptosis. Cell death must be carefully timed so that cells die when they need to be replaced. According to David Goodsell, “Caspases are the executioners of apoptosis,” and they work by destroying specific proteins in the right order so as to “disassemble the cell in an orderly manner.” 85 Caspases can be part of a “death machine” called the apoptosome, 86 a molecular machine which receives signals indicating cellular stress and then initiates cell death, including activity of caspases.

36. Type III Secretory System: This machine, often called the T3SS, is a toxin injection machine used by predatory bacteria to deliver deadly toxins into other cells. 87 It is composed of subunits that are machines, such as the injectisome nanomachine. 88

37. Type II Secretion Apparatus: The T2SS is a complex nanomachine that translocates proteins across the outer membrane of a bacterium. 89

38. Helicase/Topoisomerase Machine: The helicase and topoisomerase machines work together to properly unwrap or unzip DNA prior to transcription of DNA into mRNA or DNA replication. 90 Topoisomerase performs this function by cutting one DNA strand and then holding on to the other while the cut strand unwinds. 91

39. RNA degradasome: The RNA degradasome “multiprotein complex involved in the degradation of mRNA” 92 or trimming RNAs into their active forms 93 in E coli Bakterien. Its large size “would readily qualify [it] as a supramolecular machine dedicated to RNA processing and turnover.” 94

40. Photosynthetic system: The processes that plants use to convert light into chemical energy a type of molecular machines. 95 For example, photosystem 1 contains over three dozen proteins and many chlorophyll and other molecules which convert light energy into useful energy in the cell. “Antenna” molecules help increase the amount of light aborbed. 96 Many complex molecules are necessary for this pathway to function properly.


What is a Genetic Code

The genetic code is the set of rules by which the genetic information is encoded within the genome. The genes of the genome are made up of a series of nucleotides that can be grouped into codons. The genetic code links the set of codons within a particular gene into either the amino acid set of the polypeptide chain of a protein or the RNA codon sequence of functional RNA molecules such as tRNA and rRNA. The genetic code consists of sixty-four codons that represent unique amino acids that are involved in protein synthesis. Der genetische Code, der die 20 Aminosäuren repräsentiert, ist in . dargestellt Abbildung 1.

Abbildung 1: Genetischer Code

Degeneracy is one of the significant features of the genetic code. Dies bedeutet, dass eine einzelne Aminosäure durch mehr als ein Codon repräsentiert werden kann. The genetic code does not overlap a single nucleotide cannot be a part of two adjacent codons, and the genetic code is nearly universal.


A Stunning New Illustration of Intelligent Design in the Cell: Video Reveals Fantastically Sophisticated Molecular Machines

Known for its advocacy of intelligent design, Discovery Institute has released a dramatic new three-minute video revealing what could be the most visually stunning molecular machines in cells, called kinesins. The animation provides a new presentation of evidence for intelligent design at the cellular level.

"It’s one thing to tell someone, ‘Hey, kinesins are key transport proteins within the cell.’ It’s another matter entirely to show them, which is what this video does so beautifully," says philosopher of biology Paul Nelson. "For some very deep reason, our perception of function is powerfully enhanced by being able to visualize the design that exists in nature. One picture is worth a thousand syllogisms. No one who sees a kinesin in action can forget what they’ve seen."

The original animation by Light Productions brings to life these masterpieces of microengineering. Kinesins are motorized transport machines that move cellular materials to their correct locations so that they can perform their functions. Kinesins have two feet, or "globular heads," that literally walk, one foot over another. Known as the "workhorses of the cell," kinesins can carry cargo many times their own size.

The video, titled "The Workhorse of the Cell: Kinesin," is the third in Discovery Institute’s series on molecular machines as evidence for design in nature. The first in the series, "Journey Inside the Cell," has over half a million views on YouTube. It shows how the digital information encoded in DNA directs protein synthesis in the cell. The second, an animation of ATP synthase molecular machinery, has accrued over 70,000 views since its release last year.

"I open my cell biology course with a video on the cell, and the kinesin molecule is always the star of the show," said Ralph Seelke, professor of microbial genetics at the University of Wisconsin, Superior. "Discovery Institute’s video shows it in its full glory and the inference of design is very strong."

"Congratulations to Discovery Institute," said Tobias A. Mattei, a neurosurgeon at InvisionHealth. "As an epitome of the remarkable set of high-efficiency intracellular machinery, kinesin constitutes another example of the delicate and fine-tuned balance required for sustaining even the simplest living forms."


Verweise

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