Un equipo de la Universidad de Barcelona describe una nueva bioquímica para el ARN a bajas temperaturas

El ácido ribonucleico (ARN) es una molécula biológica con funciones decisivas en la genética de los organismos y tiene un papel clave en el origen y la evolución de la vida. Con una composición bastante similar al ADN, el ARN es capaz de desplegar diversas funciones biológicas condicionadas por su conformación espacial, es decir, la forma en que la molécula se pliega sobre sí misma. Ahora, un nuevo artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) describe por primera vez cómo el proceso de plegamiento del ARN a bajas temperaturas puede abrir una perspectiva innovadora sobre la bioquímica primordial y la evolución de la vida en el planeta.

El trabajo lo lidera el catedrático Fèlix Ritort, catedrático de la Facultad de Física y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (IN2UB) de la Universidad de Barcelona, ​​y lo firman también los expertos de la UB Paolo Rissone, Aurélien Severino e Isabel Pastor.

El ARN está formado por la unión de moléculas de ribosa (un monosacárido) con grupos fosfatos que se enlazan con cuatro tipos de bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U). Tanto la secuencia de bases como la estructura tridimensional del ARN son factores determinantes de la gran versatilidad de funciones que caracterizan a la molécula.

En el trabajo, el equipo ha utilizado el despliegue mecánico del ARN para entender precisamente las formas diversas que adopta el ARN al plegarse sobre sí mismo.

Fèlix Ritort, jefe del Small Biosystem Lab del Departamento de Física de la Matéria Condensada de la UB, detalla que "las estructuras plegadas de las moléculas biológicas, del ADN al ARN y las proteínas, determinan su acción biológica. Sin estructura no hay función, y sin función no hay vida".

El estudio revela que las secuencias de ARN que crean estructuras en forma de horquilla (hairpins en inglés) comienzan a adoptar nuevas estructuras compactas por debajo de 20º C.

"Todas las moléculas de ARN estudiadas comparten las estructuras nuevas inesperadas a bajas temperaturas", apunta Ritort. "Identificamos un rango de temperaturas entre +20 ºC y -50 ºC. Por debajo de +20 ºC, las interacciones ribosa-agua comienzan a ser importantes y se alcanza un máximo de estabilidad del ARN a +5 ºC, en la que la densidad del agua es máxima. Por debajo de 5 ºC, la nueva estabilidad del ARN la determinan las interacciones ribosa-agua hasta los -50 ºC, momento en que el ARN se despliega nuevamente, y da lugar al fenómeno de la desnaturalización fría".

El trabajo defiende la hipótesis de que este rango de temperaturas es universal y común en todas las moléculas de ARN, aunque está modulado por la secuencia y otras condiciones ambientales como la sal y la acidez del medio.

Estos rangos de ARN son estructuras simples estabilizadas por la formación de pares de bases complementarias en las que la adenina se une al uracilo (A-U) y la guanina se une a la citosina (G-C). Los investigadores creen que estas nuevas estructuras "se forman debido a la formación de puentes de hidrógeno entre la ribosa y el agua que pesan tanto o más que las propias interacciones entre bases complementarias del ARN (A-U y G-C)". "De hecho, —añade Ritort— este fenómeno solo se observa en el ARN, mientras que no lo observamos en el ADN en el que el protón en la posición 2' de la desoxiribosa no forma puentes de hidrógeno con el agua".

Para obtener las conclusiones, el equipo ha aplicado la técnica de la espectroscopia de fuerzas con pinzas ópticas, una técnica fina y precisa para medir la termodinámica molecular. Esta técnica ha permitido medir los cambios de entropía y la capacidad calorífica durante el plegamiento de diferentes ARN y detectar así una disminución de la capacidad calorífica del estado plegado alrededor de 20 ºC, lo que indica una reducción del número de grados de libertad del ARN plegado (probablemente gracias al efecto inducido por los enlaces entre la ribosa y el agua).

Pero, ¿qué implicaciones podría tener este fenómeno en la bioquímica y las funciones biológicas del ARN? Un primer hecho a destacar es que la dominancia de las interacciones ribosa-agua representa una alteración de las reglas conocidas hasta ahora que determinan cómo la bioquímica del ARN se estabiliza por pares A-U y G-C y fuerzas de apilamiento entre bases.

El catedrático de la UB añade que "esta nueva bioquímica alterada que definimos en el artículo tiene implicaciones en los organismos que habitan regiones frías de la Tierra (psicrófilos), desde regiones alpinas hasta las aguas profundas de los océanos y los territorios árticos, a temperaturas por debajo de los 10 ºC en la fase eutéctica del agua salina".

Más allá de las reglas específicas de apareamiento A-U y G-C, "la nueva bioquímica del ARN determinada por las interacciones ribosa-agua indica la existencia de una bioquímica primitiva y grosera basada en la ribosa y otros azúcares que precede a la del propio ARN, que hemos llamado sweet-RNA world. Esta bioquímica primitiva posiblemente empezó a evolucionar en ambientes fríos en el inmenso espacio exterior, seguramente en cuerpos celestiales cerca de las estrellas y sometidos a ciclos térmicos de calor y frío", concluye Ritort.