Algunos virus tienen un misterioso genoma "Z
El proyecto de vida en nuestro planeta suele estar escrito por moléculas de ADN que utilizan un alfabeto genético de cuatro letras. Pero algunos virus invasores de bacterias llevan un ADN con una letra diferente -la Z- que puede ayudarles a sobrevivir. Y nuevos estudios demuestran que está mucho más extendido de lo que se pensaba.
Una serie de nuevos artículos describen cómo esta extraña letra química entra en el ADN viral, y los investigadores han demostrado ahora que el "genoma Z" está mucho más extendido en los virus que invaden las bacterias en todo el mundo, e incluso puede haber evolucionado para ayudar a los patógenos a sobrevivir a las condiciones cálidas y duras de nuestro primer planeta.
Los tres estudios separados se publicaron el jueves (29 de abril) en la revista Science.
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El ADN está casi siempre formado por el mismo alfabeto de cuatro letras de compuestos químicos conocidos como nucleótidos: Guanina (G), citosina (C), timina (T) y adenina (A). Una molécula de ADN está formada por dos hebras de estos compuestos químicos que se unen en forma de doble hélice. El alfabeto del ADN es el mismo tanto si codifica para las ranas, los humanos o la planta junto a la ventana, pero las instrucciones son diferentes. La molécula de ARN utiliza casi el mismo alfabeto, pero utiliza uracilo (U) en lugar de timina.
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En 1977, un grupo de científicos rusos descubrió por primera vez que un cianófago, o virus que invade un grupo de bacterias conocido como cianobacterias, había sustituido todos sus As por la sustancia química 2-aminoadenina (Z). En otras palabras, un alfabeto genético que normalmente consiste en ATCG en la mayoría de los organismos de nuestro planeta era ZTCG en estos virus.
Durante décadas, este descubrimiento fue tan extraño como deletrear "zpples" en las manzanas, y poco se sabía sobre el impacto que esta sustitución de una letra podía tener en el virus. A finales de la década de 1980, los investigadores descubrieron que este nucleótido Z proporcionaba al virus algunas ventajas: era más estable a temperaturas más altas, ayudaba a que una cadena de ADN se uniera con mayor precisión a la segunda cadena de ADN después de la replicación (el ADN es de doble cadena) y el ADN-Z podía resistir ciertas proteínas presentes en las bacterias que normalmente destruirían el ADN viral.
Ahora, dos grupos de investigación de Francia y uno de China han descubierto otra pieza del rompecabezas: cómo este nucleótido Z acaba en los genomas de los bacteriófagos, virus que invaden las bacterias y utilizan su maquinaria para replicarse.
Fábrica Z
Los tres grupos de investigación, utilizando diversas técnicas genómicas, identificaron una parte de la vía que conduce al genoma Z en los bacteriófagos.
Los dos primeros grupos encontraron dos proteínas principales, conocidas como PurZ y PurB, que participan en la fabricación del nucleótido Z. Una vez que el cianófago inyecta su ADN en las bacterias para replicarse, se producen una serie de transformaciones: Esas dos proteínas fabrican una molécula precursora Z y luego convierten la molécula precursora Z en el nucleótido Z. A continuación, otras proteínas lo modifican para que pueda incorporarse al ADN.
El tercer grupo identificó la enzima responsable de ensamblar nuevas moléculas de ADN a partir de la molécula de ADN madre: una ADN polimerasa conocida como DpoZ. También descubrieron que esta enzima excluye específicamente el nucleótido A y siempre añade el Z en su lugar.
Durante décadas, sólo se conocía la existencia del genoma Z en una especie de cianobacteria. "La gente creía que este genoma Z era muy raro", dijo Suwen Zhao, profesor asistente de la escuela de ciencias de la vida y tecnología de la Universidad de ShanghaiTech y autor principal de uno de los estudios.
Zhao y su equipo analizaron las secuencias de los fagos con el genoma Z y los compararon con otros organismos. Descubrieron que los genomas Z están mucho más extendidos de lo que se pensaba. El genoma Z estaba presente en más de 200 tipos diferentes de bacteriófagos.
Los fagos que portan este genoma Z "podrían considerarse como una forma de vida diferente", afirmó Pierre Alexandre Kaminski, investigador del Instituto Pasteur de Francia, autor principal de otro de los estudios y coautor del tercero. Pero "es difícil saber el origen exacto", y es necesario explorar hasta qué punto esta proteína PurZ existe en todos los bacteriófagos, y tal vez incluso en los organismos, dijo a Live Science.
Kaminski y su grupo analizaron la historia evolutiva de la proteína PurZ y descubrieron que está relacionada con una proteína llamada PurA que se encuentra en las arqueas y que sintetiza el nucleótido A. Esta "lejana" conexión evolutiva plantea la cuestión de si las proteínas implicadas en la fabricación del nucleótido Z surgieron por primera vez en las bacterias y fueron finalmente adaptadas por los virus, o si se produjeron con mayor frecuencia en las formas de vida preliminares del planeta, tal vez incluso dentro de las células, escribieron Michael Grome y Farren Isaacs, de la Universidad de Yale, que no formaron parte de los estudios, en un artículo de perspectiva relacionado también publicado en la revista Science el 29 de abril.
PurZ y DpoZ suelen heredarse juntos, lo que sugiere que el genoma Z ha existido junto al ADN normal desde los primeros días de la vida en nuestro planeta, antes de hace 3.500 millones de años, escribieron. Es más, un análisis realizado en 2011 de un meteorito que cayó en la Antártida en 1969 descubrió el nucleótido Z junto a algunos nucleótidos estándar y no estándar probablemente de origen extraterrestre, "planteando un papel potencial para el Z en las primeras formas de vida", escribieron.
El futuro Z
Es posible que este genoma Z, si existió tan temprano en la historia de nuestro planeta, pudiera haber conferido una ventaja a las primeras formas de vida. "Creo que los organismos del genoma Z son más adecuados para sobrevivir en el ambiente caluroso y duro" del planeta primitivo, dijo Zhao.
El genoma Z es muy estable. Cuando dos hebras de ADN normal se unen para formar una doble hélice, dos enlaces de hidrógeno unen la A con la T, y tres enlaces de hidrógeno unen la G con la C. Pero cuando la A se sustituye por la Z, tres enlaces de hidrógeno las unen, lo que hace que la unión sea más fuerte. Este es el único ADN no normal que modifica el enlace de hidrógeno, dijo Kaminski.
Pero no es de extrañar que el genoma Z no esté extendido en las especies actuales. El genoma Z crea un ADN muy estable, pero no flexible, dijo Zhao. Para muchos eventos biológicos, como la replicación del ADN, necesitamos descomprimir la doble cadena, y el enlace de hidrógeno adicional hace más difícil la descompresión, dijo. "Creo que es más adecuado para entornos cálidos y duros, pero no para este entorno más confortable de ahora", dijo Zhao.
Sin embargo, la estabilidad del genoma Z lo convierte en un candidato ideal para ciertas tecnologías. Ahora que los investigadores saben qué proteínas utiliza el virus para fabricar estos genomas Z, los científicos pueden fabricarlos ellos mismos.
"Ahora podemos producir el genoma Z a gran escala", dijo Zhao
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Por ejemplo, el genoma Z podría ayudar a mejorar la terapia de fagos, que es un método de tratamiento de infecciones bacterianas que utiliza bacteriófagos, normalmente cuando las bacterias desarrollan resistencia a los antibióticos, dijo. O bien, podría utilizarse para mejorar la longevidad y la capacidad de orientación de las cadenas de ADN utilizadas en la terapia génica, según el artículo de perspectiva. Además, los investigadores podrían estudiar lo que ocurriría si incorporaran el genoma Z a las células para mejorar su funcionamiento, según el artículo de perspectiva.
Pero aún quedan muchas preguntas sin respuesta sobre el genoma Z, dijo Zhao. Por ejemplo, espera entender si su estructura 3D tiene alguna diferencia con respecto a la del ADN normal, mientras que Kaminski espera seguir explorando qué ventajas le da este genoma Z al bacteriófago además de ayudarle a evadir las proteínas de defensa de las bacterias.
No se sabe si el genoma Z también puede constituir cadenas de ARN relativas al ADN, según el artículo de perspectiva. Ni siquiera está claro si este genoma Z puede incorporarse a los genes del huésped bacteriano de un virus. Lo que está claro a partir de estos estudios es que el genoma Z está más extendido de lo que pensábamos, y probablemente tiene una historia evolutiva muy interesante.
