Posible nueva forma de crear pares de bases de ADN

En la búsqueda de los orígenes químicos de la vida, los investigadores han encontrado un posible camino alternativo para el surgimiento de la característica ADN patrón: Según los experimentos, los pares de bases de ADN característicos se pueden formar mediante calentamiento en seco, sin agua u otros disolventes. El equipo dirigido por Ivan Halasz del Instituto Rudjer Boskovic y Ernest Mestrovic de la farmacéutica Xellia presenta sus observaciones desde DESYLa fuente de rayos X PETRA III en la revista Comunicaciones químicas.

“Una de las preguntas más intrigantes en la búsqueda del origen de la vida es cómo ocurrió la selección química y cómo se formaron las primeras biomoléculas”, dice Tomislav Stolar del Instituto Rudjer Boskovic en Zagreb, el primer autor del artículo. Mientras que las células vivas controlan la producción de biomoléculas con su maquinaria sofisticada, los primeros bloques de construcción moleculares y supramoleculares de la vida probablemente fueron creados por química pura y sin catálisis enzimática. Para su estudio, los científicos investigaron la formación de pares de bases nucleicas que actúan como unidades de reconocimiento molecular en el ácido desoxirribonucleico (ADN).

Nuestro código genético se almacena en el ADN como una secuencia específica deletreada por las nucleobases adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). El código está organizado en dos hebras complementarias largas enrolladas en una estructura de doble hélice. En las hebras, cada nucleobase se empareja con un socio complementario en la otra hebra: adenina con timina y citosina con guanina.

“Solo se producen combinaciones de emparejamiento específicas en el ADN, pero cuando se aíslan nucleobases, no les gusta unirse entre sí en absoluto. Entonces, ¿por qué la naturaleza eligió estos pares de bases? ” dice Stolar. Las investigaciones sobre el emparejamiento de nucleobases aumentaron después del descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN por James Watson y Francis Crick en 1953. Sin embargo, fue bastante sorprendente que haya habido poco éxito en lograr un emparejamiento específico de nucleobases en condiciones que podrían considerarse prebióticamente plausibles .

“Hemos explorado un camino diferente”, informa el coautor Martin Etter de DESY. “Hemos tratado de averiguar si los pares de bases pueden generarse mediante energía mecánica o simplemente mediante calentamiento”. Con este fin, el equipo estudió nucleobases metiladas. Tener un grupo metilo (-CH3) unido a las respectivas nucleobases en principio les permite formar enlaces de hidrógeno en el lado Watson-Crick de la molécula. Las nucleobases metiladas se encuentran naturalmente en muchos organismos vivos donde cumplen una variedad de funciones biológicas.

En el laboratorio, los científicos intentaron producir pares de bases nucleicas mediante molienda. Los polvos de dos nucleobases se cargaron en un frasco de molienda junto con bolas de acero, que sirvieron como medio de molienda, mientras que los frascos se agitaron de manera controlada. El experimento produjo pares A: T que también habían sido observados antes por otros científicos. Sin embargo, la molienda no pudo lograr la formación de pares G: C.

En un segundo paso, los investigadores calentaron los polvos de citosina y guanina molidos. “A unos 200 grados Celsius, de hecho pudimos observar la formación de pares citosina-guanina ”, informa Stolar. Para probar si las bases solo forman los pares conocidos en condiciones térmicas, el equipo repitió los experimentos con mezclas de tres y cuatro nucleobases en la estación de medición P02.1 de la fuente de rayos X de DESY, PETRA III. Aquí, la estructura cristalina detallada de las mezclas se pudo monitorear durante el calentamiento y se pudo observar la formación de nuevas fases.

“A unos 100 grados Celsius, pudimos observar la formación de los pares de adenina-timina, ya unos 200 grados Celsius la formación de pares de Watson-Crick de guanina y citosina”, dice Etter, jefe de la estación de medición. “Ningún otro par de bases se formó incluso cuando se calentó más hasta que se derritió”. Esto prueba que la reacción térmica del apareamiento de nucleobase tiene la misma selectividad que en el ADN.

“Nuestros resultados muestran una posible ruta alternativa sobre cómo se podrían haber formado los patrones de reconocimiento molecular que observamos en el ADN”, agrega Stolar. “Las condiciones del experimento son plausibles para la Tierra joven que era un caldero hirviente y caliente con volcanes, terremotos, impactos de meteoritos y todo tipo de otros eventos. Nuestros resultados abren muchos caminos nuevos en la búsqueda de los orígenes químicos de la vida “. El equipo planea investigar más esta ruta con experimentos de seguimiento en P02.1.

DESY es uno de los principales centros aceleradores de partículas del mundo e investiga la estructura y función de la materia, desde la interacción de pequeñas partículas elementales y el comportamiento de nuevos nanomateriales y biomoléculas vitales hasta los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores de partículas que DESY desarrolla y construye en sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. Generan la radiación de rayos X más intensa del mundo, aceleran las partículas para registrar energías y abren nuevas ventanas al universo. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz, la asociación científica más grande de Alemania, y recibe su financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) (90 por ciento) y de los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo (10 por ciento).

Referencia: “Selectividad específica del ADN en el emparejamiento de bases nucleicas modelo en estado sólido” por Tomislav Stolar, Stipe Lukin, Martin Etter, Masa Rajic Linaric, Krunoslav Uzarevic, Ernest Mestrovic e Ivan Halasz, 9 de septiembre de 2020, Comunicaciones químicas.
DOI: 10.1039 / D0CC03491F