La biologie doit être pressée. En équilibrant vitesse et précision pour dupliquer l'ADN, produire des protéines et effectuer d'autres processus, l'évolution a apparemment déterminé que la vitesse est une priorité plus élevée, selon les chercheurs de l'Université Rice.

Les scientifiques du riz remettent en question les hypothèses selon lesquelles une transcription et une traduction parfaitement précises sont essentielles au succès des systèmes biologiques. Il s'avère que quelques erreurs ici et là ne sont pas critiques tant que la grande majorité des biopolymères produits sont corrects.

Un nouvel article montre comment la nature a optimisé deux processus, Réplication de l'ADN et traduction des protéines, qui sont fondamentaux à la vie. En analysant simultanément l'équilibre entre vitesse et précision, l'équipe Rice a déterminé que les taux de réaction naturellement sélectionnés optimisent la vitesse "tant que le niveau d'erreur est tolérable".

Le papier dans le Actes de l'Académie nationale des sciences est par le boursier postdoctoral Rice Kinshuk Banerjee et ses conseillers, Oleg Igochine, professeur agrégé de bio-ingénierie et de biosciences, et Anatoli Kolomeisky, professeur de chimie et de génie chimique et biomoléculaire.

Leur technique leur a permis de voir que si la correction d'erreur par relecture cinétique penche vers la vitesse, le coût d'aller aussi vite que possible peut parfois être trop élevé.

La relecture cinétique est le processus biochimique qui permet aux enzymes, tels que ceux responsables de la production de protéines et d'ADN, pour obtenir une meilleure précision entre des substrats chimiquement similaires. Les séquences sont comparées à des modèles à plusieurs étapes et sont soit approuvées soit rejetées, mais chaque étape nécessite du temps et des ressources énergétiques et, par conséquent, divers compromis se produisent.

"Des processus de contrôle supplémentaires ralentissent le système et consomment de l'énergie supplémentaire, " Banerjee a déclaré. "Pensez à un système de sécurité aéroportuaire qui contrôle les passagers. Une sécurité plus élevée (précision) signifie un besoin de plus de personnel (énergie), avec des temps d'attente plus longs pour les passagers (moins de vitesse)."

Les chercheurs ont trouvé les théories répandues insatisfaisantes lorsqu'ils se sont intéressés à apprendre comment la nature corrige ses erreurs.

"Je n'ai jamais été satisfait de la façon dont les gens considèrent les mécanismes de correction d'erreurs biologiques parce que leurs approches étaient trop simplifiées, " dit Kolomeisky, qui étudie les mécanismes des systèmes biologiques. « Je voulais un cadre plus complet, afin que nous puissions examiner à la fois les bonnes et les mauvaises voies de réplication et de traduction, ainsi que pour d'autres procédés.

"Nous avons développé une méthode quantitative puissante avec laquelle nous pouvons calculer simultanément l'erreur, vitesse et coûts énergétiques, où les méthodes précédentes se concentraient uniquement sur les erreurs, " il a dit.

"Nous avons vu ce qui manquait, " ajouta Igochine, dont le laboratoire de Rice's BioScience Research Collaborative étudie la biologie des systèmes informatiques. « En analysant simultanément plusieurs paramètres, nous pouvons voir l'interaction entre l'énergie, l'erreur et la vitesse et déterminer où se produit l'optimisation."

Si la vitesse reste une priorité, les systèmes biologiques sacrifient un peu en ajustant la correction d'erreur. Les graphiques produits par les calculs de Rice montrent que lorsque la réplication des protéines est limitée d'un ou deux points de pourcentage en dessous de la vitesse maximale, la précision reste élevée et les économies d'énergie sont importantes.

"Il n'est peut-être pas surprenant que la précision ne soit pas la seule préoccupation du système, " Banerjee a déclaré. "Ce qui est fascinant, c'est comment les systèmes optimisent leurs performances en ajustant ces objectifs apparemment opposés tout en prenant en charge le coût énergétique."

Le concept de vitesse par rapport à la précision a déjà été exploré dans un système très différent chez Rice grâce aux travaux de l'informaticien Krishna Palem, qui a créé des microprocesseurs qui augmentent leur efficacité en permettant de légères imperfections dans leurs calculs.

"Cela a autant de sens pour la biologie que pour l'ingénierie, " dit Igoshin. " Une fois que vous serez assez précis, vous arrêtez d'optimiser."