Algunos virus que matan bacterias explican sus instrucciones genéticas en un alfabeto de ADN diferente.
Hace más de 40 años, científicos en Rusia informaron que un tipo de bacteriófago llamado cianófago S-2L reemplaza el bloque de construcción del ADN adenina, comúnmente conocido como A, con 2-aminoadenina, designado Z. Pero nadie sabía cómo el fago pasó de A a Z, o por qué.
Después de décadas de preguntarse, dos grupos independientes de científicos han descubierto cómo los virus crean y construyen Z en sus instrucciones genéticas , y una razón por la que lo hacen , informan los equipos en tres estudios en la revista Science del 30 de abril .
Los hallazgos tienen implicaciones para los orígenes de la vida en la Tierra, la búsqueda de vida en otros planetas y múltiples aplicaciones potenciales en biomedicina, biología sintética, ciencias de los materiales e informática, dice Farren Isaacs, biólogo molecular y sintético de la Universidad de Yale, quien es coautor de un comentario. en el mismo número de Science . «Es un descubrimiento realmente fundamental».
En la década de 1990, Philippe Marlière, un xenobiólogo del Instituto Pasteur de París, estaba «buscando ejemplos divergentes de la vida tal como la conocemos», cuando se encontró con el estudio ruso de 1977 que describía el cianófago con el ADN inusual. Después de obtener una muestra del virus, Marlière y sus colegas descifraron el conjunto completo de instrucciones genéticas o genoma del fago.
En el genoma del virus, los investigadores encontraron instrucciones para construir una enzima, llamada PurZ, que podría llevar a cabo el primer paso para producir Z, también conocida como diaminopurina. El Instituto Pasteur presentó una patente sobre la enzima a nombre de Marlière en 2003.
Con la enzima en la mano, «quedó muy claro cómo se hizo Z, pero no hicimos ningún experimento para demostrar que teníamos razón», dice Marlière, ahora presidente del Sindicato Europeo de Científicos e Industriales Sintéticos en Berlín. . El proyecto se detuvo por diversas razones.
Los investigadores no publicaron sus hallazgos hasta ahora, en parte, porque PurZ no era la enzima que Marlière estaba buscando. En cambio, dice que esperaba encontrar una enzima diferente, una polimerasa que rechazaría la adenina y en su lugar construiría ADN con Z en su lugar. «Estaba muy, muy decepcionado», dice, «porque la polimerasa que ansiaba no podía detectarse en ese fago».
De hecho, la polimerasa de este fago no es lo que estaba buscando. El colaborador de Marlière, Pierre Alexandre Kaminski, y sus colegas encontraron que la polimerasa del cianófago S-2L no es exigente con el uso de A o Z. En cambio, otra enzima viral llamada DatZ degrada los componentes básicos de la adenina , lo que deja a la polimerasa sin otra opción que usar Z, Kaminski, un bioquímico en el Instituto Pasteur, y sus colegas informan el 23 de abril en Nature Communications .
Periódicamente, Marlière buscó en bases de datos genéticas otros fagos que tuvieran PurZ y pudieran contener la elusiva polimerasa delicada. Luego, hace unos cuatro años, dice: “Obtuve resultados. ¡Ding, ding, ding! Y no obtuve solo uno. Tengo 12. Y bingo, justo al lado de este gen PurZ estaba, adivinen qué, un gen de la polimerasa. ¡Ajá!
Los Siphoviridae bacteriófagos que infectan a una amplia variedad de bacterias todos tienen versiones de la polimerasa, llamada DpoZ, que preferentemente inserto Z en lugar de A en el ADN de los virus, los investigadores informan. Marlière ha presentado una patente sobre la enzima.
En qué se diferencia el enlace Z-T del ADN del enlace A-T más estándar
La adenina de base de ADN estándar, conocida como A (izquierda), se enlaza con su compañera timina, conocida como T (derecha), a través de dos enlaces de hidrógeno (naranja).
La base 2-aminoadenina, también llamada Z (izquierda), tiene un grupo amino más (NH 2 , rojo) que la adenina. Esa adición permite que Z forme un enlace de hidrógeno adicional (naranja) con timina, lo que hace que el emparejamiento ZT sea más estable que los pares AT.
El alfabeto alternativo puede usarse mucho más de lo que se pensaba, dice Huimin Zhao, biólogo sintético de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Él escuchó por primera vez sobre el bacteriófago que usa ADN que contiene Z en una cena hace unos años, recuerda. Sin saber que los científicos franceses todavía estaban trabajando en el rompecabezas, también buscó en bases de datos y encontró 60 bacteriófagos que contienen PurZ, incluidos fagos de las familias Siphoviridae y Podoviridae . Su equipo también elaboró la vía bioquímica que utilizan los fagos para producir e incorporar Z, y encontró enzimas que degradan A.
Solo porque los fagos tienen las enzimas, no necesariamente usan Z en su ADN. Entonces, Zhao y sus colegas en China eligieron un fago llamado SH-Ab 15497 que infecta la bacteria Acinetobacter y confirmaron que su alfabeto de ADN también tiene Z en lugar de A, informa su equipo.
Reemplazo de As con Zs
Aún se desconocía por qué los fagos se molestarían con el ADN no convencional. Una hipótesis es que reemplazar A por Z es una contramedida contra las enzimas de defensa bacterianas, conocidas como enzimas de restricción, que cortan el ADN de los fagos invasores. Tales enzimas tienen dificultades para reconocer y cortar el ADN que contiene bases Z, encontraron Zhao y sus colegas. «El fago está tratando de evitar ser destruido por el huésped», dice. «Este es realmente un mecanismo de protección para el fago».
También es parte de una carrera armamentista interminable entre fagos y bacterias, dice Steven Benner, químico y astrobiólogo de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Alachua, Florida. Es posible que otros fagos que usan Z u otras bases de ADN alternativas todavía puedan estar ahí fuera. “Hemos pasado por alto esta forma de vida en la Tierra porque nuestras herramientas moleculares no nos permitieron buscarla”, dice. «Lo que han hecho estos muchachos es descubrir una biosfera completa que faltaba en nuestro inventario».
Es discutible si los fagos que contienen Z son nuevas formas de vida (sin mencionar el debate en curso sobre si los virus están vivos), dice Floyd Romesberg, biólogo sintético del sitio de la compañía farmacéutica y biotecnológica mundial Sanofi en La Jolla, California. abre nuevas posibilidades, dice, para lo que la vida es, fue y podría llegar a ser.
“La vida no es exactamente lo que pensábamos que era. La vida no tiene que ser GTAC ”, dice, refiriéndose a las cuatro letras del alfabeto de ADN estándar. «Lo que dice es que la vida puede ser más diversa».
Esa comprensión podría influir en la búsqueda de vida en otros planetas ( SN: 18/4/16 ). Los científicos a menudo asumen que deberían buscar guanina, timina, adenina y citosina, las bases del ADN tal como lo conocemos hasta ahora. Pero tal vez los investigadores deberían buscar 2-aminoadenina, la base Z, en su lugar, dice Benner.
Después de todo, Z forma tres enlaces de hidrógeno con timina, en lugar de los dos enlaces de hidrógeno que mantienen unidos los pares de bases A – T. Eso hace que el ADN emparejado Z-T sea más estable y potencialmente capaz de resistir condiciones más calientes o más duras que el ADN convencional, dice.
Con la estabilidad adicional, uno podría preguntarse por qué todos los organismos de la Tierra no usan Z. La estabilidad no lo es todo, dice Romesberg. El ADN tiene que desenrollarse y separarse para poder ser copiado. Eso puede ser más difícil de hacer con los pares de bases Z – T. Z también cambia la forma en que el ADN se curva y se dobla, quizás haciendo que sea más difícil empacar en espacios reducidos de la forma en que lo hace el material genético que contiene A. Eso podría hacer que A sea más atractivo para otros organismos.
O tal vez fue solo un accidente que A fuera primero. Una vez que las células comenzaran a usar esa base, tendrían que cambiar demasiadas cosas para cambiar completamente a otra base, dice Romesberg, quien ha estado trabajando durante años para que las bacterias incorporen bases de ADN exóticas ( SN: 5/7/14 ).
Las células tienen dificultades para intercambiar porque hay muchas partes diferentes que tendrían que cambiarse para adaptarse a una nueva base de ADN. Los genomas reducidos de los virus son más flexibles, dice Romesberg: llevan menos maquinaria porque hacen que el anfitrión haga la mayor parte del trabajo. Incluso el fago Z hace solo el primer paso para hacer Z y depende de varias enzimas huésped para terminar la receta. Todavía no se sabe si los organismos celulares también pueden escribir Z en su ADN.
FUENTE: www.sciencenews.org
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