Para replicar información, la vida suele tener formas bastante sencillas de hacer las cosas. Para copiar el ADN, generalmente se utiliza el ADN como plantilla. Para sintetizar el ARN, las células suelen utilizar el ADN como plantilla, mientras que el ARN, a su vez, proporciona las instrucciones para la síntesis de proteínas.
Pero ahora una bacteria ha revelado un camino diferente, y es profundamente sorprendente. En una de las mitades de este sistema recién descubierto, una proteína actúa como plantilla molecular para construir una secuencia de ADN repetitiva específica, lo que básicamente permite que la información escrita en los aminoácidos determine la información escrita en el ADN. Y eso es al revés; es como usar un pastel como plantilla para escribir una receta, en lugar de usar una receta como plantilla para hacer un pastel.
“En lugar de copiar una hebra de ADN para crear la otra, como ocurre en la replicación normal del ADN, el sistema utiliza dos transcriptasas inversas diferentes para generar de forma independiente las dos hebras complementarias”, explicó a ScienceAlert el bioquímico Samuel Sternberg, de la Universidad de Columbia.
“Una enzima copia una plantilla de ARN, mientras que la otra utiliza los aminoácidos de la propia proteína para determinar qué bloques de construcción de ADN se añaden. Las dos cadenas de ADN resultantes se encuentran y se emparejan para producir ADN de doble cadena, lo que finalmente ayuda a la bacteria a defenderse de los virus“.
El ADN es, básicamente, el sistema de almacenamiento de información de la vida. Su famosa estructura de doble hélice consta de dos cadenas formadas por cuatro bases químicas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Estos cuatro componentes conforman el material genético de todos los seres vivos.
Sin embargo, no se pueden combinar al azar. Se emparejan según reglas específicas: A con T y C con G. Esto significa que la secuencia de cada hebra contendrá la información necesaria para construir la otra.
Cuando una célula replica el ADN, separa las dos hebras como si fuera una cremallera, y cada hebra individual actúa como plantilla para construir la nueva hebra que la rodea. Por ejemplo, una hebra cuya secuencia es AGCT requerirá, obviamente, la secuencia TCGA.
En algunos casos, unas enzimas llamadas transcriptasas inversas pueden sintetizar ADN utilizando ARN como plantilla; este es un recurso que emplean, por ejemplo, los retrovirus. En cualquier caso, un ácido nucleico interviene en el proceso. Ahí es donde las bacterias se comportan de forma un tanto extraña, según descubrieron Sternberg y sus colegas. Se sabe que estos organismos utilizan un sistema llamado transcriptasas inversas asociadas a la defensa (DRT, por sus siglas en inglés) como parte de su respuesta inmunitaria contra los virus, pero no estaba claro cómo funcionaba realmente este sistema.
Sternberg y sus colegas estudiaron uno de estos sistemas, llamado DRT3, en Escherichia coli, utilizando una serie de experimentos para averiguar qué hacían sus dos transcriptasas inversas. Al examinar la estructura de una de esas enzimas, la DRT3b, mediante microscopía crioelectrónica, encontraron algo que no esperaban.
“Sabíamos, gracias a nuestros experimentos, que DRT3b podía crear esta secuencia de ADN repetitiva tan específica sin el ARN que requiere la otra transcriptasa inversa. Pero no sabíamos cómo lo hacía”, dijo Sternberg.
“El verdadero momento de revelación llegó con los experimentos bioquímicos y la estructura obtenida mediante criomicroscopía electrónica. Hiroshi Nishimasu y su equipo pudieron observar el producto de ADN dentro de la enzima, y la estructura situó estos dos aminoácidos en las posiciones exactas para explicar la secuencia alternada”.
“Eso sugirió de inmediato una posibilidad bastante descabellada: la propia proteína estaba determinando la secuencia”.
Sin embargo, la estructura por sí sola no bastaba para demostrarlo. Por lo tanto, los investigadores modificaron los dos aminoácidos que sospechaban que eran los responsables de especificar la secuencia. Cuando esto ocurrió, tanto la síntesis de ADN como la defensa antiviral de la bacteria se vieron afectadas, lo que confirmó que los aminoácidos eran fundamentales para el proceso.
Lo más sorprendente es que DRT3b lo hacía sin ningún tipo de plantilla de ácido nucleico. En cambio, los dos aminoácidos situados junto al sitio activo de la enzima actuaban como plantilla: uno favorecía la incorporación de A y el otro la de C.
El resultado es una cadena de ADN extraordinariamente simple, que consiste en la secuencia repetitiva CACACA.
“En un sentido muy literal, la información contenida en la secuencia de aminoácidos de la proteína se traduce en una secuencia de ADN”, explicó Sternberg. “Se trata de un flujo de información biológica muy diferente al que solemos concebir”.
Pero eso es solo la mitad de lo que hace DRT3. La cadena de ADN generada por la proteína DRT3b es solo una de las dos cadenas producidas por el sistema. Una segunda transcriptasa inversa, DRT3a, sintetiza de forma independiente otra cadena repetitiva de ADN, pero esta vez de la manera más convencional, utilizando ARN como plantilla.
Las dos hebras son complementarias. Una vez formadas, se encuentran espontáneamente y se emparejan, formando la conocida doble hélice del ADN de doble cadena.
Esto también va al revés de la forma habitual de hacer las cosas. Normalmente, las dos hebras de ADN no se sintetizan de forma independiente: una hebra existente sirve de plantilla para su nueva compañera.
En este caso, ninguna de las hebras recién formadas proporciona las instrucciones para la otra. Una obtiene su información de secuencia del ARN, la otra de la proteína, y solo después se unen.
“Otro aspecto del estudio que me resulta especialmente fascinante es que desafía la imagen habitual de cómo se forma el ADN de doble cadena”, dijo Sternberg.
Normalmente, pensamos que una hebra contiene la información necesaria para sintetizar la otra. En este caso, las dos hebras se sintetizan de forma independiente, utilizando dos tipos de plantillas completamente diferentes (ARN para una y proteína para la otra), y solo después se unen para formar una doble hélice.
“Para mí, ese es un ejemplo bastante notable de lo ingeniosa que puede ser la evolución con componentes moleculares muy familiares”.
Pero DRT3 no realiza este elaborado truco molecular solo para presumir. Es un sistema de defensa, y el extraño ADN parece actuar como una especie de trampa para los virus invasores. En condiciones normales, una enzima llamada RecBCD destruye continuamente el ADN producido por DRT3, impidiendo su acumulación. RecBCD forma parte de las defensas de la bacteria y ayuda a destruir el ADN viral invasor. Algunos virus, como parte de su estrategia de ataque, producen proteínas que inactivan RecBCD.
“El virus intenta desactivar RecBCD porque RecBCD es en sí mismo una importante defensa antiviral”, explicó Sternberg. “Pero al desactivarlo, el virus elimina inadvertidamente el freno a DRT3”.
A medida que se acumula el ADN producido por DRT3, la bacteria deja de crecer, lo que a su vez impide que el virus se replique eficazmente. La célula bacteriana se sacrifica para evitar que el virus se propague a la población circundante.
Se necesitan más investigaciones para determinar cómo DRT3 detiene el crecimiento de la bacteria. Los investigadores también están interesados en investigar si sistemas similares son capaces de escribir diferentes secuencias de ADN.
“Sospecho que esto es solo la punta del iceberg”, dijo Sternberg.
“Dudo que DRT3b sea la única enzima capaz de este tipo de síntesis de ADN no convencional. Queda por ver si existen muchas otras proteínas que utilicen exactamente este mecanismo de plantilla de aminoácidos, pero me sorprendería que la naturaleza lo hubiera inventado solo una vez”.
“En términos más generales, creo que existe una enorme cantidad de enzimología inexplorada oculta en los sistemas inmunitarios bacterianos”.
Los resultados se han publicado en la revista Cell.
Fuente: Science Alert.