Motoarele lui Dumnezeu care descurcă ADN-ul

Enzimele topoizomerazei

de Jonathan Sarfati
tradus de Cristian Monea (Centrul De Studii Facerea Lumii)

Toate vietățile conțin mașini incredibile, precum și „manual de instrucțiuni” pentru a le construi. Acest manual cuprinde secvențe de „litere” chimice (nucleotide) în celebra moleculă de acid dezoxiribonucleic (ADN), la fel cum informațiile dintr-o carte sunt scrise cu litere pe o pagină.

În plus, aceste instrucțiuni sunt copiate la generația următoare. Nu ai primit cu adevărat ochii mamei tale și urechile tatălui; mai degrabă, instrucțiunile de re-fabricare a ochilor mamei și a urechilor tatălui au fost copiate în ADN-ul tău (vezi secțiunea de mai jos).

Dimensiunile fizice ale ADN-ului pun multe probleme care ar trebui rezolvate înainte ca și cea mai simplă formă de viață să poată funcționa. Forma dublu elicoidală are aproximativ 2,5 nanometri lățime—prea subțire pentru a fi văzută cu orice microscop optic (lumina vizibilă are o lungime de undă de 380 și 700 nm). O rotire completă a elicei are aproximativ 10,5 litere lungime. Dar întreaga moleculă de ADN este extrem de lungă: cel mai mare cromozom uman, numărul 1, este compus din 220 de milioane de litere și ar avea o lungime de 85 mm dacă ar fi întins complet. Dacă tot ADN-ul din celula ta ar fi aliniat, ar avea aproximativ 2 m lungime! Aceste fire extrem de lungi, subțiri și lipicioase trebuie împachetate într-o celulă microscopică și apoi menținute fără a se încurca și fără a forma noduri. Celula are nevoie de mașini complexe pentru a face toate acestea. Aceste mașini sunt uimitoare, complexe și o mărturie a geniului Creatorului nostru.

Desfășurarea elicei

Când ADN-ul este decodat (adică atunci când informația este folosită pentru a crea o proteină), cele două catene ale elicei duble trebuie separate. Și în timpul reproducerii, fiecare fir este copiat independent.

Acest lucru necesită motoare speciale numite ADN-helicaze. Au formă de inel, cu o gaură prin care să treacă ADN-ul. Dar, fiindcă sunt motoare, au nevoie și de combustibil. Helicazele sunt alimentate de un „combustibil” numit ATP, care este produs de un alt motor, ATP-sintaza.¹ Folosind ATP ca sursă de energie, o schimbare ciclică a formei se desfășoară în jurul inelului helicazei la aproximativ 10 000 rpm—aproximativ viteza cu care se rotește o turbină de motor cu reacție. Helicaza se desfășoară rapid de-a lungul ADN-ului și separă cele două catene la bifurcația de replicare.² Apoi, multe alte mașini se ocupă de decodarea ADN-ului și de a pune din nou firele împreună sau de a le copia. Aceasta trebuie să se întâmple foarte repede, deoarece viteza de copiere a ADN-ului este de 1000 de litere pe secundă, iar helicaza trebuie să rămână înaintea mașinilor de copiat.

Superbobine

Forma elicoidală (bobinată) a ADN-ului produce o altă problemă care este amplificată atunci când helicaza o desfășoară pentru a separa firele. Puteți demonstra cu ușurință problema cu o frânghie lungă cu mai multe fire: începeți de la mijloc și încercați să despărțiți firele. În curând va deveni prea greu de desfășurat din cauza rezistenței răsucirilor suplimentare de pe ambele părți ale punctului de separare. Dacă dați drumul, frânghia va avea tendința de a se încolăci înapoi pe ea însăși—gândiți-vă și la cablurile telefoanelor mai vechi care se încurcă ușor, formând bobine peste bobine. Pentru a compensa fiecare răsucire adăugată în direcția înainte, ADN-ul din spatele locului de desfacere adaugă o răsucire și, de asemenea, devine supra-întors (supra-bobinat). Într-o celulă, dacă ADN-ul ar fi împiedicat să se deruleze, atunci celula nu ar mai putea produce proteine sau să se copieze.

Mașini de descurcat

Creatorul a rezolvat această problemă folosind mașini speciale pentru proteine (enzime) numite topoizomeraze.³Ele taie ADN-ul, îl rearanjează și îl lipesc înapoi. Ele trebuie să lucreze înaintea bifurcării de replicare pentru a împiedica ADN-ul să se întoarcă excesiv.

Există mai multe clase de topoizomeraze, dar acestea sunt grupate în două tipuri principale:

• Topoizomeraza de tip I taie una dintre catenele ADN și se leagă temporar de ambele capete ale tăieturii. Apoi catena netăiată este liberă să treacă prin rupere. În ambele cazuri, acest lucru ameliorează sau „relaxează” tensiunea, o răsucire la un moment dat. În cele din urmă, ruptura este reconectată; aceasta se numește ligatură.

  Topoizomerazele de tip I nu au nevoie de ATP—energia acumulată prin supraînfăşurarea ADN-ului este pur și simplu eliberată, ca un arc spiralat atunci când este eliberat.

• Topoizomerazele de tip II sunt mai complexe. Acest tip taie ambele fire ale elicei duble și le ține depărtate. Apoi trage prin rupere o buclă a elicei dintr-o secțiune netăiată. După aceea, cele două catene sunt reconectate, ADN-ul trecut este eliberat și, în final, enzima eliberează ADN-ul reconectat, astfel încât procesul să poată fi repetat după cum este necesar. Acest lucru necesită ATP pentru mai mulți dintre acești pași.

  Topoizomeraza de tip II este importantă dintr-un alt motiv: atunci când ADN-ul este replicat, uneori, cele două molecule de ADN „fiică” pot ajunge înfășurate una în jurul celeilalte ca niște verigi într-un lanț, adică catenate (în latină, catena = lanț). Astfel, separarea acestor molecule legate se numește decatenare, iar acesta este un rol vital al topoizomerazei de tip II.

Inutil dacă nu este complet funcțional

Aceste enzime trebuie să facă trei lucruri, altfel ar fi inutile sau chiar dăunătoare: taie, mută un alt fir prin tăietură și reconectează. Pentru a arăta cât de important este fiecare pas, dacă vreun dintre ei este dezactivat, enzima nu funcționează și celula moare.

Într-adevăr, unele medicamente antibacteriene și anticancerigene funcționează prin țintirea topoizomerazelor. Clasa de antibiotice numite fluorochinolone (de exemplu, ciprofloxacină, levofloxacină) oprește etapa de reconectare a topoizomerazei bacteriene de tip II, ceea ce duce creșterea rupturilor ADN-ului, ucigând rapid celula. Unele medicamente anti-cancer (de exemplu, camptotecina, topotecan) fac același lucru cu topoizomerazele de tip I și de tip II din celulele canceroase care se reproduceau necontrolat.

O altă clasă de medicamente numite inhibitori catalitici previne eliberarea de energie ATP și funcționează prin oprirea primului pas de tăiere. În loc ca celula să moară datorită ADN-ului rupt în bucăți, ADN-ul pur și simplu se încurcă, astfel încât celula nu se poate reproduce și nici nu poate produce proteine.

Probleme pentru evoluție

În mod clar, reacțiile chimice aleatoare în condițiile de dinainte de viață nu ar fi putut produce prima celulă prin pași mici, treptat, fiecare cu un presupus avantaj față de cel anterior și astfel favorizat de selecția naturală. Să presupunem că acest proces a produs o enzimă cu primul pas: tăierea. Fără a le pune la loc, acest lucru ar dăuna celulei prin tăierea în bucăți a moleculei informaționale!

Dar este și mai rău pentru evoluție. Selecția naturală este, prin definiție, reproducere diferențială: adică „A este mai adaptat decât creatura B” înseamnă că „A are mai mulți descendenți supraviețuitori decât B”. Prin urmare, selecția naturală necesită cel puțin două entități care se pot replica. Aceasta înseamnă că nu poate explica originea replicării, deoarece nu vă puteți reproduce până când nu aveți o modalitate de a replica ADN-ul. Și după cum am văzut, fără topoizomeraze, ADN-ul nu poate fi replicat, deoarece s-ar încurca prea repede. Deoarece selecția naturală nu poate explica originea primei topoizomeraze, evoluția darwiniană nici măcar nu poate începe.⁴

O altă problemă este asemănătoare întrebării „ce a fost mai întâi: găina sau oul?”⁵ Adică: instrucțiunile de construire a topoizomerazelor sunt în ADN, dar aceste instrucțiuni nu pot fi citite fără topoizomeraze pentru a descurca ADN-ul. Chiar și cea mai simplă topoizomerază de tip II are 800 de „litere” proteice (aminoacizi) împărțite între două segmente. Este nevoie de trei „litere” ADN pentru a codifica o literă proteică, așa că gena pentru aceasta are aproximativ 2400 de litere—prea mare pentru a fi citită fără a fi necesară descurcarea sa.

Și aceste instrucțiuni nu ar putea fi transmise următoarei generații fără topoizomeraze de tip II pentru a decatena firele de ADN fiice. Chiar și ADN-ul lui Mycoplasma genitalium, care are cel mai mic genom al oricărui organism viu, este mult prea mare pentru a se decatena singur.

ADN-ul: cel mai bun sistem de stocare a informațiilor

ADN-ul este cel mai avansat sistem de stocare/recuperare/transmitere a informațiilor cunoscut. Densitatea informației din ADN-ul unei celule vii este de aproximativ 1000 de teraocteți pe milimetru cub.¹ Deci, o celulă vie poate stoca o cantitate enormă de informații într-un spațiu mic: cea mai simplă vietate este un parazit intracelular numit Mycoplasma, care are aproximativ 600 de kiloocteți de ADN, în timp ce fiecare celulă umană are aproximativ 3 gigaocteți.²

Dacă toate informațiile din fiecare celulă umană ar fi scrise cu cerneală pe hârtie, ar ocupa aproximativ o mie de cărți de dimensiunea Bibliei (dar doar de 200 de ori dimensiunea codului fiscal din SUA).³ Dar rețineți că nu există nimic în chimia cernelii care ar putea produce informațiile din cărți—nu au fost produse prin turnarea cernelii pe pagini! Mai degrabă, au fost produse de un autor care a aranjat cerneala în litere. Într-un mod asemănător, nu există nimic în chimia „literelor” ADN care să le facă să scrie mesajul vieții.

1. Mai multe detalii în Sarfati, J., DNA: the best information storage system [DNA: cel mai bun sistem de stocare a informațiilor], 9 Octombrie 2015; creation.com/dna-best. Vedeți și Batten, D., DNA repair mechanisms ‘shout’ creation [Mecanismele de reparare a ADN-ului „strigă” creație], Creation 38(2):56, 2016; creation.com/dna-repair-shouts.
2. Pentru simplitate, tratez fiecare „scrisoare” ADN ca pe un „octet” de informații, care este „în locul potrivit”. În realitate, deoarece există patru posibilități pentru fiecare loc, am putea folosi doi biți pentru a stoca fiecare literă, ceea ce ar reduce necesarul total de memorie de 4 ori. Dar, folosind o literă pe octet, avem 3,17 miliarde de perechi de baze (bp) și două copii ale genomului în fiecare celulă, deci 6,34 miliarde bp, sau 5,90 GB.
3.  Erb, K.E., [American] Tax code hits nearly 4 million words, Taxpayer Advocate calls it too complicated, forbes.com, [Codul fiscal [american] conține aproape 4 milioane de cuvinte, Taxpayer Advocate îl numește prea complicat] 10 Ianuarie 2013. Comparativ, Biblia KJV are aproximativ 800 000 de cuvinte.

Concluzie

Chiar și cele mai simple vietăți au nevoie de topoizomeraze înainte de a-și putea citi instrucțiunile ADN-ului pentru a produce proteine sau pentru a le transmite descendenților lor. Acestea sunt mașini complexe, bine proiectate, care taie, mișcă, apoi reconectează ADN-ul. Deoarece reproducerea este imposibilă fără ele, evoluția darwiniană—mutație aleatoare + selecție naturală—nu ar fi putut produce primele topoizomeraze.