Investigadores encontraron un raro ejemplo de una proteína antigua que aún puede funcionar en un mundo espejo molecular, lo que ofrece nuevas pistas sobre la historia evolutiva de las proteínas que se unen a los ácidos nucleicos.
Un nuevo estudio dirigido por investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) en el Instituto de Ciencias de Tokio, en colaboración con la Universidad Hebrea de Jerusalem y el Instituto Weizmann de Ciencias, descubrió que un antiguo motivo de proteína que se une a los ácidos nucleicos es funcionalmente “ambidiestro”.
Esto significa que el motivo puede interactuar tanto con los ácidos nucleicos naturales como con los de imagen especular, algo que nunca antes se había informado para la unión de ácidos nucleicos. El estudio proporciona una instantánea única de la evolución de las proteínas y plantea preguntas intrigantes sobre los orígenes y la historia de la vida en la Tierra.
Al igual que la mano humana, muchas moléculas existen en formas “diestras” y “zurdas” que son imágenes especulares unas de otras. La vida en la Tierra tiene una fuerte preferencia por la lateralidad molecular: las proteínas están formadas por aminoácidos levógiros, mientras que los ácidos nucleicos están formados por azúcares levógiros. Este fenómeno, llamado homoquiralidad, es una característica fundamental de la biología tal como la conocemos. Con pocas excepciones, invertir la lateralidad de una molécula compleja hace que se desfasine con la vida en la Tierra y deje de funcionar. Es como si Alicia entrara a través del espejo en un mundo muy diferente al suyo. Este hecho ha llevado a una opinión de larga data de que las proteínas de imagen especular no pueden realizar su función biológica normal.
Nueva investigación dirigida por el Prof. Liam M. Longo, el Profesor Asociado Especialmente Designado y estudiante de maestría Tatsuya Corlett en ELSI, en colaboración con el Prof. Norman Metanis y la Dra. Orit Weil-Ktorza en la Universidad Hebrea de Jerusalem y el Prof. Yaakov (Koby) Levy, estudiante de doctorado Segev Naveh-Tassa, la Dra. Yael Fridmann-Sirkis, la Dra. Dragana Despotović y el Dr. Kesava Phaneendra Cherukuri en el Instituto Weizmann de Ciencias, ha cuestionado esta suposición.
En el estudio los investigadores informaron que una estructura proteica primordial y ampliamente conservada llamada motivo hélice-horquilla-hélice (HhH) es capaz de funcionar tanto en formas zurdas como dextrógiras. En su estado natural, el motivo HhH se une al ADN y al ARN.
Sorprendentemente, los investigadores encontraron que una imagen especular sintetizada químicamente del motivo también es funcional, un fenómeno al que los autores se refieren como ambidestreza funcional. En términos simples, el motivo HhH es como un guante que se ajusta perfectamente a ambas manos. No se ha informado antes de ninguna proteína de unión a ácidos nucleicos de este tipo.
El ADN bicatenario tiene una torsión dextrógira, por lo que la expectativa razonable era que una proteína de imagen especular no pudiera unirse. “Estaba mirando el motivo, simplemente jugando en la computadora, y de repente pensé: ¡Este motivo puede unirse al ADN del espejo!”, dijo Longo. “Era una idea loca”, dijo Metanis, un químico de péptidos, “pero cuanto más mirábamos la estructura, más pensábamos que tal vez estábamos en lo cierto”. Para investigar si las proteínas que contienen motivos HhH espejadas se unen al ADN bicatenario, sintetizaron la proteína de imagen especular y midieron su unión en el laboratorio. Efectivamente, se detectó la vinculación.
Pero ¿la unión de la proteína de imagen especular era similar a la proteína natural? Para probar esto, los investigadores analizaron la cinética de la desunión, así como el efecto de varias mutaciones. Y ambos enfoques sugerían similitudes sorprendentes. Animado por estos resultados, Longo se puso en contacto con Levy, un químico computacional que podía utilizar simulaciones moleculares para pintar una imagen molecular detallada del proceso de unión. Lo que los investigadores encontraron los sorprendió: aunque había diferencias en cómo las proteínas naturales y de imagen especular se unían al ADN, regiones similares de la proteína eran responsables de la unión en cada caso. En otras palabras, estos dos modos de unión estaban vinculados entre sí a nivel molecular.
Este estudio es un primer ejemplo emocionante de proteínas ambidiestras que se unen a ácidos nucleicos, y plantea más preguntas de las que responde. ¿Qué fuerzas causaron que esta proteína fuera ambidiestra en primer lugar? “Todavía no lo sabemos”, dice Metanis. “Tal vez refleja la necesidad de que este dominio se una a múltiples tipos de estructuras de ADN, o que se deslice a lo largo de la molécula de ADN”. O tal vez esté apuntando a un misterio evolutivo aún mayor: “La explicación más intrigante es que la ambidestreza funcional estuvo una vez bajo presión selectiva, ¡tal vez debido a la antigua vida de imagen especular!”, dijo Longo con una sonrisa. Pero los autores advierten que aún estamos muy lejos de poder sacar conclusiones tan provocadoras. Por ahora, ¡comienza la caza de otras proteínas ambidiestras!
El artículo de investigación titulado “Functional Ambidexterity of an Ancient Nucleic Acid-Binding Domain”, ya está disponible en Angewandte Chemie.
Investigadores:
Orit Weil-Ktorza1, Segev Naveh-Tassa2, Yael Fridmann-Sirkis3, Dragana Despotović4,5, Kesava Phaneendra Cherukuri4, Tatsuya Corlett6, Yaakov Levy2, Norman Metanis1, Liam M. Longo6,7.
Instituciones
1. Instituto de Química, Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Centro Casali de Química Aplicada, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2. Departamento de Biología Química y Estructural, Instituto Weizmann de Ciencias.
3. Instalaciones centrales del Departamento de Ciencias de la Vida, Instituto Weizmann de Ciencias.
4. Departamento de Ciencias Biomoleculares, Instituto Weizmann de Ciencias.
5. Instituto de Genética Molecular e Ingeniería Genética, Universidad de Belgrado.
6. Instituto de Ciencias de la Vida de la Tierra, Instituto de Ciencias de Tokio, Japón.
7. Departamento Instituto de Ciencias Espaciales de Mármol Azul, Seattle, Washington.
