Investigadores de la Universidad de Barcelona nueva bioquímica para el ARN a bajas temperaturas

La molécula biológica conocida como ácido ribonucleico (ARN) desempeña funciones fundamentales en la genética de los seres vivos y es esencial para entender el origen y la evolución de la vida. A pesar de su similitud en composición con el ADN, el ARN tiene la capacidad de realizar múltiples funciones biológicas, las cuales dependen de su conformación espacial, es decir, de cómo se pliega la molécula sobre sí misma.

Recientemente, un artículo innovador publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) revela por primera vez que el proceso de plegamiento del ARN a bajas temperaturas puede ofrecer una nueva perspectiva sobre la bioquímica primordial y la evolución de la vida en nuestro planeta.

El proyecto es dirigido por el catedrático Fèlix Ritort, quien forma parte de la Facultad de Física y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (IN2UB) en la Universidad de Barcelona. Además, los especialistas de la UB Paolo Rissone, Aurélien Severino e Isabel Pastor también han contribuido firmando el trabajo.

Se ha descubierto una nueva bioquímica relacionada con el ARN que opera a bajas temperaturas

En el ámbito laboral, se ha empleado el despliegue mecánico del ARN por parte del equipo para comprender de manera precisa las variadas formas que el ARN puede adoptar al plegarse sobre sí mismo.

Fèlix Ritort, quien es el líder del Small Biosystem Lab en el Departamento de Física de la Materia Condensada de la UB, explica que «las estructuras plegadas de las moléculas biológicas, desde el ADN hasta el ARN y las proteínas, son fundamentales para su acción biológica. Sin estructura no hay función, y sin función no hay vida».

La molécula de ARN se compone de la combinación de moléculas de ribosa (un tipo de monosacárido) junto con grupos fosfatos, que se conectan a cuatro variedades de bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y uracilo (U). La gran versatilidad funcional que presenta esta molécula está determinada tanto por la disposición de las bases como por su estructura tridimensional.

El análisis indica que las secuencias de ARN que forman estructuras en forma de horquilla (conocidas como hairpins en inglés) comienzan a presentar nuevas configuraciones compactas cuando la temperatura desciende por debajo de 20º C.

El investigador Ritort señala que «todas las moléculas de ARN analizadas presentan estructuras nuevas e inesperadas a bajas temperaturas». Se identificó un rango de temperaturas que va desde +20 ºC hasta -50 ºC. A temperaturas superiores a +20 ºC, las interacciones entre la ribosa y el agua comienzan a adquirir relevancia, alcanzando un punto máximo de estabilidad del ARN a +5 ºC, donde la densidad del agua es más alta. Al bajar de +5 ºC, son estas interacciones ribosa-agua las que determinan la nueva estabilidad del ARN hasta llegar a -50 ºC, momento en el cual el ARN se despliega nuevamente, dando lugar al fenómeno conocido como desnaturalización fría.

La hipótesis presentada en este trabajo sostiene que dicho rango de temperaturas es universal y se encuentra presente en todas las moléculas de ARN. Sin embargo, este rango se ve influenciado por la secuencia y otras condiciones ambientales, tales como la sal y el nivel de acidez del medio.

Las estructuras simples de estos rangos de ARN se estabilizan gracias a la creación de pares de bases complementarias, donde la adenina se empareja con el uracilo (A-U) y la guanina se une a la citosina (G-C). Según los investigadores, «estas nuevas estructuras se forman debido a la formación de puentes de hidrógeno entre la ribosa y el agua, que tienen un peso igual o mayor que las interacciones propias entre las bases complementarias del ARN (A-U y G-C)».
«De hecho», señala Ritort, «este fenómeno solo se observa en el ARN, mientras que no lo observamos en el ADN, donde el protón en la posición 2' de la desoxiribosa no establece puentes de hidrógeno con el agua».

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

Una representación artística de la dependencia de la temperatura en el paisaje de energía libre (FEL) durante el plegamiento del ARN se muestra en la imagen. Los autores revelaron que los ARN sufren una transición de fase a bajas temperaturas, lo que provoca un mal plegamiento debido a las variaciones en el FEL. Al reducirse la temperatura, el paisaje desértico donde el sistema puede encontrar fácilmente el mínimo global de energía para plegarse en la horquilla nativa se transforma en desfiladeros separados por altas barreras. Como resultado, el sistema queda atrapado en estos mínimos locales, generando diversas conformaciones que están mal plegadas.

Sin embargo, ¿cuáles podrían ser las implicaciones de este fenómeno en la bioquímica y las funciones biológicas del ARN? Un aspecto importante a resaltar es que la dominancia de las interacciones entre ribosa y agua indica una modificación de las normas previamente establecidas que rigen la estabilización de la bioquímica del ARN, basada en los pares A-U y G-C, así como en las fuerzas de apilamiento entre bases.

El equipo ha utilizado la espectroscopia de fuerzas con pinzas ópticas para llegar a las conclusiones, una técnica que se caracteriza por su precisión y delicadeza en la medición de la termodinámica molecular. Gracias a este método, se han podido cuantificar los cambios en la entropía y la capacidad calorífica durante el proceso de plegamiento de distintos ARN. Esto ha llevado a la detección de una disminución en la capacidad calorífica del estado plegado alrededor de los 20 ºC, sugiriendo así una reducción en el número de grados de libertad del ARN en su forma plegada, probablemente debido al efecto que generan los enlaces entre la ribosa y el agua.

Más allá de las reglas específicas que rigen el apareamiento entre A-U y G-C, Ritort concluye que «la nueva bioquímica del ARN, determinada por las interacciones entre ribosa y agua, sugiere la existencia de una bioquímica primitiva y rudimentaria, fundamentada en la ribosa y otros azúcares, que precede a la del propio ARN. A esta etapa se le ha denominado sweet-RNA world. Es probable que esta bioquímica primitiva comenzara su evolución en ambientes fríos del vasto espacio exterior, probablemente en cuerpos celestiales cercanos a las estrellas y expuestos a ciclos térmicos de calor y frío».