Para replicar información, la vida suele tener formas bastante sencillas de hacer las cosas.
Para copiar ADN, generalmente se utiliza ADN como plantilla. Para producir ARN, las células generalmente utilizan el ADN como plantilla, mientras que el ARN, a su vez, proporciona las instrucciones para producir proteínas.
Pero ahora una bacteria ha revelado un camino diferente y es profundamente sorprendente.
En la mitad de este sistema recién descubierto, una proteína actúa como plantilla molecular para construir una secuencia de ADN repetida específica, lo que básicamente permite que la información escrita en los aminoácidos determine la información escrita en el ADN.
Y eso es al revés: un poco 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 cadena de ADN para formar la otra, como ocurre en la replicación normal del ADN, el sistema utiliza dos transcriptasas inversas diferentes para generar de forma independiente las dos cadenas complementarias”, dijo a ScienceAlert el bioquímico Samuel Sternberg de la Universidad de Columbia.
“Una enzima copia una plantilla de ARN, mientras que la otra usa aminoácidos en la propia proteína para determinar qué componentes básicos del ADN se agregan. Las dos cadenas de ADN resultantes se encuentran y se emparejan para producir ADN bicatenario, que en última instancia ayuda a la bacteria a defenderse contra los virus”.
El ADN es básicamente el sistema de almacenamiento de información de la vida. Su famosa estructura de doble hélice consta de dos hebras construidas a partir de cuatro bases químicas: adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). Estos cuatro ingredientes constituyen el material genético de todos los seres vivos.
Sin embargo, no se pueden juntar de cualquier manera. Están emparejados según reglas específicas: A con T y C con G. Esto significa que la secuencia de cualquiera de las hebras contendrá la información necesaria para construir la otra.
Cuando una célula replica el ADN, separa las dos hebras como una cremallera, y cada hebra actúa como plantilla para construir la nueva hebra que se enrolla a su alrededor. Una cadena cuya secuencia diga AGCT, por ejemplo, obviamente requerirá la secuencia TCGA.
En algunos casos, las enzimas llamadas transcriptasas inversas pueden producir ADN utilizando ARN como plantilla; ese es un truco que usan los retrovirus, por ejemplo. Pero de cualquier manera, en el proceso interviene un ácido nucleico.
Ahí es donde las bacterias se vuelven un poco raras, descubrieron Sternberg y sus colegas.
Se sabe que estos organismos utilizan un sistema llamado transcriptasas inversas asociadas a la defensa (DRT) como parte de su respuesta inmune contra los virus, pero no estaba claro cómo funcionaba realmente este sistema.
Sternberg y sus colegas estudiaron uno de esos sistemas, llamado DRT3, en Escherichia coli, utilizando una serie de experimentos para determinar qué estaban haciendo sus dos transcriptasas inversas.
Cuando examinaron la estructura de una de esas enzimas, DRT3b, utilizando microscopía crioelectrónica, encontraron algo que no esperaban.
“Sabíamos por nuestros experimentos que DRT3b podía producir esta secuencia de ADN repetitiva muy específica sin el ARN que requiere la otra transcriptasa inversa. Pero no sabíamos cómo lo hacía”, dijo Sternberg.
“El verdadero momento de ‘ajá’ provino de los experimentos bioquímicos y la estructura crio-EM. Hiroshi Nishimasu y su equipo pudieron ver el producto de ADN ubicado en la enzima, y la estructura colocó estos dos aminoácidos exactamente en las posiciones correctas para explicar la secuencia alterna.
“Eso inmediatamente sugirió una posibilidad bastante descabellada: la proteína misma estaba especificando la secuencia”.
Sin embargo, la estructura por sí sola no fue suficiente para demostrarlo. Entonces los investigadores alteraron los dos aminoácidos que sospechaban eran responsables de especificar la secuencia.
Cuando lo hicieron, tanto la síntesis de ADN como la defensa antiviral de la bacteria fracasaron, lo que confirma que los aminoácidos eran fundamentales para el proceso.
Más sorprendentemente, DRT3b estaba haciendo esto sin ninguna plantilla de ácido nucleico. En cambio, los dos aminoácidos colocados junto al sitio activo de la enzima actuaron efectivamente como plantilla: uno favoreció la incorporación de A y el otro C.
El resultado es una hebra de ADN extraordinariamente simple, que consta de la secuencia repetida CACACA.
“Así que, en un sentido muy literal, la información en la secuencia de aminoácidos de la proteína se traduce en una secuencia de ADN”, dijo Sternberg. “Ese es un flujo de información biológica muy diferente de lo que normalmente pensamos”.
Pero eso es sólo la mitad de lo que hace DRT3.
La cadena de ADN con plantilla de proteína de DRT3b es solo una de las dos cadenas creadas por el sistema. Una segunda transcriptasa inversa, DRT3a, construye de forma independiente otra hebra repetida de ADN, pero esta vez, de la forma más convencional, utilizando ARN como plantilla.
Las dos corrientes son complementarias. Una vez creados, se encuentran espontáneamente y se emparejan, formando la familiar doble hélice de ADN bicatenario.
Esto también se aleja de la forma habitual de hacer las cosas. Normalmente, las dos hebras de ADN no se forman de forma independiente: una hebra existente proporciona la plantilla para su nueva pareja.
Aquí, ninguna de las hebras recién hechas proporciona instrucciones para la otra. Uno obtiene su información de secuencia del ARN, el otro de la proteína y sólo después se unen.
“Un aspecto adicional del estudio que encuentro especialmente fascinante es que desafía la imagen habitual de cómo se produce el ADN bicatenario”, dijo Sternberg.
“Normalmente, pensamos que una hebra lleva la información necesaria para formar la otra. Aquí, las dos hebras se sintetizan de forma independiente, utilizando dos tipos de plantillas completamente diferentes (ARN para una y proteína para la otra) y sólo después se unen para formar una doble hélice.
“Para mí, ese es un ejemplo bastante notable de cuán inventiva puede ser la evolución con bloques de construcción moleculares muy familiares”.
Pero DRT3 no está realizando este elaborado truco molecular sólo para lucirse. Es un sistema de defensa, y el extraño ADN parece actuar como una especie de trampa explosiva para los virus invasores.
En condiciones normales, una enzima llamada RecBCD destruye continuamente el ADN producido por DRT3, impidiendo que se acumule. RecBCD es en sí mismo parte de las defensas de la bacteria y ayuda a destruir el ADN viral invasor. Algunos virus, como parte de su conjunto de herramientas de ataque, producen proteínas que desactivan RecBCD.
“El virus está intentando desactivar RecBCD porque RecBCD es en sí mismo una importante defensa antiviral”, explicó Sternberg. “Pero al desactivarlo, el virus sin darse cuenta quita el freno a DRT3”.
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A medida que el ADN producido por DRT3 se acumula, la bacteria deja de crecer y, a su vez, eso impide que el virus se replique eficientemente. La célula bacteriana se sacrifica para evitar que el virus se propague a la población circundante.
Se necesita más investigación para determinar cómo DRT3 detiene el crecimiento de la bacteria. Los investigadores también están interesados en investigar si sistemas similares son capaces de escribir secuencias de ADN diferentes.
“Mi sospecha es que esto es 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 hay muchas otras proteínas que usan exactamente este mecanismo de plantilla de aminoácidos, pero me sorprendería si la naturaleza solo lo inventara una vez.
“En términos más generales, creo que hay una enorme cantidad de enzimología inexplorada escondida en los sistemas inmunológicos bacterianos”.
Los hallazgos han sido publicados en Cell.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.