Un descubrimiento inesperado nos obliga a ampliar algunos de los principios clásicos de la biología molecular. Investigadores de la Universidad de Stanford en Estados Unidos han descrito un mecanismo de síntesis de ADN completamente nuevo que hasta ahora parecía imposible: una proteína capaz de producir ADN sin el uso de una plantilla previa de ADN o ARN.
Este descubrimiento surge del estudio de la guerra que las bacterias libran desde hace millones de años contra los virus que las infectan, conocidos como bacteriófagos. Y si bien no derriba los fundamentos de la biología molecular, añade un nuevo capítulo fascinante a nuestra comprensión de cómo se puede generar la información genética.
Cómo se fabrica normalmente el ADN
Hasta ahora, los libros de texto de biología enseñaban que para construir una molécula de ADN es necesario copiar la secuencia genética anterior. Es decir, la síntesis de ADN siempre ha requerido una plantilla con la que trabajar.
En este proceso participan numerosas proteínas especializadas. En primer lugar, la helicasa actúa como una cremallera molecular que separa las dos cadenas de ADN, mientras que la girasa evita que la molécula se enrede durante la apertura. Otras proteínas estabilizan las hebras separadas para evitar que se vuelvan a unir.
Luego, la primasa se activa y deposita un pequeño trozo de ARN llamado cebador. Este cebador sirve como punto de partida para la ADN polimerasa, la enzima responsable de construir una nueva cadena añadiendo nucleótidos (las “letras” del ADN) y siguiendo estrictamente la secuencia de la cadena original. Finalmente, la ligasa une los fragmentos generados para formar una doble hélice continua.
La idea básica siempre ha sido la misma: las polimerasas deben copiar una plantilla ya existente. Sin una plantilla, no hay síntesis ordenada de ADN.
No hay dogmas absolutos en biología.
Sin embargo, la biología está llena de sorprendentes excepciones. Ya sabíamos que la información del ADN se copia en una molécula de ARN (transcripción) y viceversa (el ARN se puede retrotranscribir en ADN); que ciertas moléculas de ARN pueden autorreplicarse e incluso actuar como enzimas (ribozimas) o que algunas proteínas, como los priones, pueden cambiar la estructura de otras proteínas. Ahora, este nuevo estudio describe algo que nunca antes se había observado: una proteína cuya propia estructura física sirve como plantilla para la síntesis de ADN.
Los investigadores estudiaron un sistema antiviral bacteriano llamado DRT3 (Defense-Associated Reverse Transcriptase 3), compuesto por dos transcriptasas inversas no convencionales, Drt3a y Drt3b, junto con un pequeño ARN no codificante, cuya información no se traduce en proteínas.
El sistema fue identificado en la bacteria Escherichia coli, aunque posteriormente se descubrieron homólogos de DRT3 en numerosos grupos bacterianos (al menos veinte diferentes), lo que sugiere que este mecanismo puede estar muy extendido en la naturaleza y haber evolucionado hace millones de años como estrategia de defensa contra los virus.
Sistema DRT3: dos enzimas sintetizan pares de cadenas de ADN (naranja y cian), una (amarilla) utiliza una plantilla de ARN (beige) para guiar el ensamblaje de las bases de nucleótidos que componen el ADN, mientras que la otra enzima (azul claro) utiliza sus propios aminoácidos como plantilla. Una proteína que actúa como modelo para un edificio
Lo revolucionario del descubrimiento es el comportamiento de Drt3b. Mientras que las transcriptasas inversas convencionales copian la secuencia de ARN para producir ADN, Drt3b es capaz de sintetizar ADN sin utilizar una plantilla de ácido nucleico. En lugar de copiar ADN o ARN, la proteína utiliza directamente la disposición espacial de sus propios aminoácidos para determinar qué nucleótido agregar. Es decir, actúa como herramienta y como modelo para la construcción: la síntesis de ADN guiada únicamente por proteínas.
Sin embargo, este descubrimiento no significa que las proteínas puedan transferir información genética compleja al ADN como lo hacen normalmente los seres vivos. Drt3b tiene limitaciones importantes: sólo es capaz de formar pequeñas cadenas repetidas compuestas de adenina y citosina (las letras A y C del ADN). No puede sintetizar secuencias generales de ADN ni copiar genes completos.
Pero aún así, el hecho de que una proteína pueda dirigir directamente la formación de ADN sin una plantilla externa es algo completamente nuevo y sorprendente. Un nuevo estudio amplía enormemente el repertorio conocido de estrategias moleculares utilizadas por la vida y sugiere que aún pueden existir mecanismos bioquímicos fundamentales completamente desconocidos.
¿Para qué se utiliza este sistema en las bacterias?
Aún no se comprende completamente cómo las bacterias utilizan este sistema DRT3 para defenderse de los bacteriófagos, aunque los investigadores han propuesto varias hipótesis. En primer lugar, las hebras repetitivas de ADN pueden actuar como “esponjas moleculares”, atrapando las proteínas virales necesarias para la replicación viral. También pueden interferir directamente con diversos procesos del ciclo infeccioso viral.
Es importante destacar que estos sistemas antivirales microbianos funcionan como auténticos laboratorios evolutivos de innovación bioquímica. Muchas de las herramientas más revolucionarias de la biotecnología moderna han surgido precisamente del estudio de estos mecanismos de protección.
El ejemplo más conocido es CRISPR: lo que inicialmente era un sistema de defensa bacteriana natural contra los virus, finalmente se convirtió en una herramienta revolucionaria de edición de genes, que se utiliza hoy en día en la medicina, la investigación y la biotecnología.
Posibles aplicaciones futuras
Aunque este descubrimiento se encuentra todavía en una fase muy básica, abre un enorme campo de aplicación. Drt3b podría inspirar el diseño de nuevas enzimas polimerasas programables capaces de sintetizar ADN sin necesidad de plantillas convencionales. También podría dar lugar a nuevas estrategias antivirales, nuevas herramientas para la biología sintética e incluso aplicaciones futuras en informática molecular.
Además, el descubrimiento plantea profundas preguntas sobre la evolución molecular y el origen mismo de la vida. Si existen proteínas capaces de dirigir la síntesis genética sin molde de ADN o ARN, quizás la diversidad de los mecanismos bioquímicos de la vida sea mucho mayor de lo que imaginamos.
Comprender exactamente cómo funciona DRT3 nos permitirá investigar mejor la evolución de los sistemas de defensa microbianos y revelar hasta dónde puede llegar la creatividad molecular de la naturaleza.
Se publicó una versión de este artículo en el blog microBIO del autor.
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