Replicación de pares de bases no naturales
Doble hélice que muestra la alineación coplanar de pares de bases estándar. WIKIMEDIA COMMONS, MUSHTI
Investigadores que estudian la expansión del «alfabeto» del ADN -desarrollando bases artificiales que potencialmente pueden codificar más información que los estándares A, T, C y G- han descubierto que la ADN polimerasa es más acomodarse a conformaciones de pares de bases inusuales de lo que se pensaba anteriormente, en una nueva investigación publicada esta semana (3 de junio) en Nature Chemical Biology. Mientras toma la plantilla y replica las hebras de ADN, la polimerasa puede obligar a los pares de bases a adoptar una geometría estándar, incluso si no se alinean de esta manera en una doble hélice normal, lo que explica cómo la polimerasa puede incorporar estas bases no naturales en las secuencias de ADN. .
“Este artículo hace una contribución muy importante a la biología sintética” dijo Steven Benner, Miembro Distinguido de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada y el Instituto Westheimer, quien también trabaja en bases no naturales, pero no participó en el estudio. «Muestra cómo…
Desarrollar pares de bases artificiales que puedan incorporarse de manera eficiente en la replicación de ADN in vivo sería un primer paso en la ingeniería de un organismo semisintético», dijo el coautor principal Floyd Romesberg en El Instituto de Investigación Scripps en California. Los científicos también esperan diseñar nuevas bases para aplicaciones in vitro, dijo Romesberg, tal vez usando bases no naturales con grupos funcionales agregados para ayudar a diseñar moléculas de ADN o ARN con actividad enzimática.
Los científicos que buscan desarrollar un alfabeto genético expandido han adoptado diferentes enfoques para diseñar nuevas bases. Benner, por ejemplo, ha desarrollado bases que se asocian a través de enlaces de hidrógeno, al igual que los nucleósidos estándar, que atraviesan el centro de la doble hélice para formar enlaces de hidrógeno, creando un solo plano alineando sus bordes. El grupo de Romesberg, por otro lado, desarrolló las bases no naturales dNaM y d5SICS, que no se asocian a través de enlaces de hidrógeno, sino mediante interacciones hidrofóbicas, de modo que las bases forman una hélice ligeramente rizada. A pesar de esta geometría inusual, dNaM y d5SICS pueden incorporarse al ADN durante las reacciones de PCR casi tan eficientemente como las bases estándar.
Pero se sabe que la ADN polimerasa necesita bases para ajustarse a la geometría coplanar estándar, conocida como Watson -Crick geometría, explicó Romesberg, por lo que no estaba claro cómo la enzima podía tratar con las bases no naturales. ¿Buscó bases en la conformación correcta, por ejemplo, o puede empujar las bases hacia la alineación correcta?
En lo que Benner describió como un tour-de-force técnico, el laboratorio de Romesberg, trabajando principalmente con Andreas El grupo de Marx en la Universitt Konstanz en Alemania generó estructuras de cristalografía de rayos X del núcleo activo de la ADN polimerasa complejado con el par de bases no naturales, dNaMD5SICS, o un par de guaninecitosina estándar. Sorprendentemente, a pesar de su estructura inusual en la hélice del ADN, el par de bases no naturales se ajustaba a la geometría estándar de Watson-Crick cuando la polimerasa lo agarraba, lo que demuestra la capacidad de las enzimas para hacer cumplir esta geometría necesaria al replicar el ADN.
La comprensión de cómo la ADN polimerasa interactúa con los pares de bases artificiales dará pistas a los científicos que esperan seguir modificando las bases o la polimerasa, dijo Eugene Wu, bioquímico de la Universidad de Richmond en Virginia, que no participó en el estudio. Como científico, sientes que realmente entiendes un sistema cuando puedes rediseñarlo, dijo Wu. Por supuesto, la replicación exitosa del ADN in vitro es solo el primer paso para crear un organismo que incorpore bases artificiales en su código genético, agregó. También será necesario eliminar otros obstáculos enzimáticos, como las enzimas de reparación del ADN que pueden reconocer bases artificiales y eliminarlas.
Mientras tanto, Romesberg y sus colegas están trabajando para optimizar la forma en que las bases interactúan con la polimerasa. El grupo también planea unir grupos fluorescentes a sus bases artificiales a través de conectores para examinar la biofísica del ensamblaje y la función de los ribosomas, desarrollar moléculas de ADN con propiedades catalíticas y, en última instancia, diseñar sistemas in vivo donde estas bases puedan incorporarse en la replicación del ADN y pasarse a las células hijas.
Ese sería realmente el jonrón, dijo Romesberg.
K. Betz et al., KlenTaq polimerasa replica pares de bases no naturales mediante la inducción de la geometría de Watson-Crick, Nat. química Biol., doi:10.1038/nchembio.966, 2012.
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