L'àcid ribonucleic (ARN) és una molècula biològica amb funcions decisives en la genètica dels organismes i un paper clau en l'origen i l'evolució de la vida. Amb una composició força similar a l'ADN, l'ARN és capaç de desplegar diverses funcions biològiques condicionades per la seva conformació espacial, és a dir, la manera en la qual la molècula es plega sobre si mateixa. Ara, un nou article publicat a la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) descriu per primer cop com el procés de plegament de l'ARN a baixes temperatures pot obrir una perspectiva innovadora sobre la bioquímica primordial i l'evolució de la vida al planeta.
Fèlix Ritort, catedràtic de la Facultat de Física i l'Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la Universitat de Barcelona, lidera el treball, que també el signen Paolo Rissone, Aurélien Severino i Isabel Pastor, experts de la UB.
Una nova bioquímica per a l'ARN a baixes temperatures
L'ARN està format per la unió de molècules de ribosa (un monosacàrid) amb grups fosfats que s'enllacen amb quatre tipus de bases nitrogenades: adenina (A), guanina (G), citosina (C) i uracil (U). Tant la seqüència de bases com l'estructura tridimensional de l'ARN són factors determinants de la gran versatilitat de funcions que caracteritzen la molècula.
En aquesta investigació, l'equip utilitza el desplegament mecànic de l'ARN per entendre precisament les formes diverses que adopta l'ARN en plegar-se sobre si mateix.
L'estudi revela que les seqüències d'ARN que creen estructures en forma de forquilla (hairpins en anglès) comencen a adoptar noves estructures compactes per sota de 20 ºC.
"Totes les molècules d'ARN estudiades comparteixen estructures noves inesperades a baixes temperatures", apunta Ritort. "Identifiquem un rang de temperatures que va entre +20 ºC i -50 ºC. Per sota de +20 ºC, les interaccions ribosa-aigua comencen a ser importants i s'arriba a un màxim d'estabilitat de l'ARN a +5 ºC, en què la densitat de l'aigua és màxima. Per sota de 5 ºC, la nova estabilitat de l'ARN la determinen les interaccions ribosa-aigua fins als -50 ºC, moment en què l'ARN es desplega novament i dona lloc al fenomen de la desnaturalització freda".
L'estudi defensa la hipòtesi que aquest rang de temperatures és universal i comú a totes les molècules d'ARN, tot i que està modulat per la seqüència i altres condicions ambientals com la sal i l'acidesa del medi.
Aquestes forquilles d'ARN són estructures simples estabilitzades per la formació de parells de bases complementaris en què l'adenina s'uneix a l'uracil (A-U) i la guanina s'uneix a la citosina (G-C). Ritort subratlla que "pensem que aquestes noves estructures es creen arran de la formació de ponts d'hidrogen entre la ribosa i l'aigua que pesen tant o més que les mateixes interaccions entre bases complementàries de l'ARN (A-U i G-C). De fet, aquest fenomen només s'observa en l'ARN, mentre que no el trobem a l'ADN, en què el protó en la posició 2' de la desoxiribosa no forma ponts d'hidrogen amb l'aigua".
Per obtenir les conclusions, l'equip ha aplicat la tècnica de l'espectroscòpia de forces amb pinces òptiques, una tècnica fina i precisa per mesurar la termodinàmica molecular. Aquesta metodologia ha permès mesurar els canvis d'entropia i la capacitat calorífica durant el plegament de diferents ARN i detectar així una disminució de la capacitat calorífica de l'estat plegat al voltant de 20 ºC, fet indicatiu d'una reducció del nombre de graus de llibertat de l'ARN plegat (probablement gràcies a l'induït pels enllaços entre la ribosa i l'aigua).
Més enllà de la visió tradicional sobre l'ARN
Però, quines implicacions podria tenir aquest fenomen en la bioquímica i les funcions biològiques de l'ARN? Un primer fet que cal destacar és que la dominància de les interaccions ribosa-aigua representa una alteració de les regles conegudes fins ara que determinen com la bioquímica de l'ARN s'estabilitza per parells A-U i G-C i forces d'apilament entre bases.
El catedràtic afegeix que "aquesta nova bioquímica alterada que definim en el nou article té implicacions en els organismes que habiten regions fredes de la Terra (psicròfils), des de regions alpines fins a les aigües profundes dels oceans i els territoris àrtics, a temperatures per sota dels 10 ºC en la fase eutèctica de l'aigua salina".
Més enllà de les regles específiques d'aparellament A-U i G-C, "la nova bioquímica de l'ARN determinada per les interaccions ribosa-aigua indica l'existència d'una bioquímica primitiva i grollera basada en la ribosa i altres sucres que precedeix la de l'ARN mateix, que hem anomenat sweet-RNA world. Aquesta bioquímica primitiva possiblement va començar a evolucionar en ambients freds en l'immens espai exterior, probablement en cossos celestials prop del estels i sotmesos a cicles tèrmics de calor i fred", conclou Ritort.
Article de referència:
Rissone, P.; Severino, A.; Pastor, I.; Ritort, F. "Universal cold RNA phase transitions". Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), agost de 2024. DOI: 10.1073/pnas.240831312
