Riboza proiectată repară ARN-ul defect pentru a explica originile vieții
În majoritatea celulelor moderne, ADN-ul stochează planul genetic și se bazează pe proteine pentru a replica, repara și construi din aceste planuri.
Însă, care dintre acestea a apărut prima dată? O ipoteză avansată de cercetători, printre care și Saurja DasGupta, sugerează că niciuna dintre ele nu a fost prima.
DasGupta își propune să înțeleagă mai bine originile chimice ale vieții prin studiul structurii, funcției și evoluției ARN-ului, o moleculă intermediară care poate stoca informații genetice și cataliza reacții biochimice. Într-un studiu publicat recent în Nature Communications, DasGupta și colegii săi prezintă un mecanism esențial pentru menținerea vieții bazate pe ARN: o enzimă proiectată care recunoaște și repară selectiv ARN-ul deteriorat.
„Rezultatele noastre sugerează că uneltele moleculare necesare pentru a păstra codul genetic bazat pe ARN și a-l transmite generațiilor viitoare ar fi putut fi furnizate doar de ARN – fără a fi necesare proteine”, a declarat DasGupta, profesor asistent în Departamentul de Chimie și Biochimie și cu o numire concomitentă în Departamentul de Științe Biologice.
Enzima bazată pe ARN, sau „riboza”, creată de cercetători, îmbină fragmente de ARN și vizează o caracteristică distinctivă a ARN-ului deteriorat: un grup fosfat – un atom de fosfor legat de patru atomi de oxigen – la capătul lanțului de ARN rupt. În contrast, firele intacte de ARN se termină cu un grup hidroxil – un atom de oxigen și un atom de hidrogen.
„Faptul că această enzimă caută grupuri fosfat terminale în ARN – și, prin urmare, ARN-uri deteriorate – ignorând firele care se termină cu grupuri hidroxil standard sugerează că ar fi putut fi importantă pentru repararea ARN-ului primordial”, a spus DasGupta, care a colaborat cu Jack W. Szostak de la Universitatea din Chicago în cadrul studiului.
Capacitățile duale de stocare și cataliză ale ARN-ului stau la baza ipotezei lumii ARN, care susține că cele mai vechi forme de viață de pe Pământ, care au trăit acum aproape patru miliarde de ani, erau alimentate exclusiv de ARN. Această ipoteză sugerează că moleculele de ARN au precedat ADN-ul și proteinele pentru codificarea genelor și facilitarea proceselor celulare, respectiv.
Organismele moderne au mecanisme de reparare pentru a repara ADN-urile deteriorate; dacă formele timpurii de viață își purtau genele în ARN, atunci un proces similar de reparare trebuie să fi existat. Altfel, când căldura, pH-ul ridicat sau alți stresori deteriorau inevitabil genomul ARN, informația genetică s-ar fi pierdut permanent, oprind efectiv viața.
O provocare majoră în studiul sistemelor ARN primordiale este că acestea nu mai există. Pentru a demonstra că aceste organisme bazate pe ARN și componentele lor ar fi putut susține viața, cercetătorii trebuie mai întâi să proiecteze noi ribozimi printr-un proces denumit evoluție in vitro. Acest proces implică selectarea de catalizatori ARN cu proprietăți particulare din trilioane de molecule de ARN aflate în tuburi de testare. Cercetătorii impun anumite condiții acestor experimente de evoluție artificială în speranța de a crea ribozimi cu funcții specifice, dar se confruntă adesea cu surprize pe parcurs.
„Consensul general este că evoluția artificială se reduce la o bună parte de noroc”, a spus DasGupta. „Uneori obții ceea ce vizezi, alteori nu. Și când nu obții, începi din nou și o faci din nou.”
Inițial, grupul de cercetare al lui DasGupta a încercat să ajusteze biochimia unei clase existente de ribozimi folosind metoda. Însă, când au observat rezultate neașteptate, cercetătorii au decis să le urmeze, în loc să le respingă – și au descoperit ceva complet nou.
„Existența acestui ribozim are implicații interesante pentru înțelegerea noastră a originilor vieții, iar noi l-am descoperit în timp ce căutam altceva”, a spus DasGupta. „Ceea ce mă surprinde cel mai mult este că nu a fost găsit mai devreme.”
Dincolo de biologia primordială, semnificația ribozimului recent proiectat se extinde în domeniul biotehnologiei.
ARN-ul deteriorat este comun în infecțiile virale și este un semn al funcționării anormale a celulelor în anumite tipuri de cancer. Totuși, tehnicile standard de secvențiere ARN utilizate pentru a analiza markerii genetici ai acestor boli nu identifică ARN-ul deteriorat, deoarece etichetele chimice care marchează firele de ARN pentru analiză nu sunt concepute să se atașeze la capetele deteriorate.
„ARN-urile deteriorate sunt practic invizibile în protocoalele standard de secvențiere, ceea ce reprezintă o barieră în înțelegerea relației dintre tăierea ARN-ului și boală”, a spus DasGupta, care este afiliat la Berthiaume Institute for Precision Health și la Warren Center for Drug Discovery.
Deoarece ribozimul de reparare a ARN-ului este selectiv pentru ARN-ul deteriorat, acesta ar putea fi folosit pentru a face firele tăiate „vizibile” prin izolarea lor pentru o pregătire specială înainte de secvențierea ARN-ului. Ca prim pas, grupul de cercetare al lui DasGupta lucrează la optimizarea eficienței reacției ribozimului, extinzând în același timp gama de posibile ținte moleculare.
„Ceea ce a început ca o căutare pentru a obține informații despre originile vieții bazate pe ARN s-a transformat într-o descoperire neașteptată care a oferit, de asemenea, o soluție potențială la o provocare majoră în biotehnologie”, a spus DasGupta. „Suntem încântați să continuăm să explorăm aceste noi frontiere în biologia ARN-ului antic și diagnosticele moderne.”
