Bacterii bizare sfidează informațiile din manualele scriind gene noi

Informațiile genetice urmează de obicei un flux unidirecțional: genele scrise în ADN servesc drept șablon pentru crearea moleculelor de ARN, care sunt apoi traduse în proteine. Această simplificată poveste din manual,  a devenit mai complicată în 1970, când oamenii de știință au descoperit că unele virusuri au enzime numite transcriptaze inverse, care transcriu ARN-ul în ADN — inversul fluxului obișnuit.

Acum, oamenii de știință au descoperit o răsturnare și mai ciudată. O versiune bacteriană a transcriptazei inverse utilizează ARN-ul ca șablon pentru a crea gene complet noi scrise în ADN. Aceste gene sunt retranscrise înapoi în ARN, care este tradus în proteine de protecție când o bacterie este infectată de un virus. Spre deosebire de transcriptazele inverse virale, care doar transferă informația de la ARN la ADN, această versiune bacteriană creează gene noi.

„Aceasta biologie moleculară este nebunească,” spune Aude Bernheim, bioinformatician la Institutul Pasteur din Paris, care nu a fost implicată în cercetare. „Nu mi-aș fi imaginat niciodată că acest tip de mecanism ar putea exista.”

Un pas înainte față de CRISPR

Bacteriile se apără împotriva virusurilor și altor invadatori folosind numeroase sisteme de apărare, cum ar fi sistemul de editare genetică CRISPR. Unul astfel de sitem și mai misterios conține gena ADN pentru o transcriptază inversă dar și o secvență scurtă de ARN  fără să se poată identifica o funcție clară a acestora: secvența nu păre să codifice vreo proteină.

Pentru a înțelege cum funcționează acest sistem, o echipă co-condusă de biologul molecular Stephen Tang și biochimistul Samuel Sternberg, ambii de la Universitatea Columbia din New York City, a căutat moleculele de ADN create de o transcriptază inversă dintr-o bacterie (Klebsiella pneumoniae) găsind astfel secvențe ADN foarte lungi, constând din numeroase segmente identice repetate, fiecare segment corespunzând unei bucăți din ARN-ul misterios.

Îndoirea buclei

Pentru a explica acest lucru, autorii notează că, catenele lungi de ARN pot forma structuri asemănătoare unor agrafe de păr, aducând două porțiuni îndepărtate aproape una de alta. Cercetătorii au descoperit că transcriptaza inversă din K. pneumoniae făcea „ture” repetate în jurul secvenței de ARN, care era buclată peste ea însăși ca un șiret, scriind aceeași moleculă de ARN în ADN de multe ori creâmd o secvență ADN repetitivă.

Segmentele repetate au creat o unică secvență codificatoare de proteine numită cadru de citire deschis (open reading frame). Cercetătorii au numit această secvență „neo” (cadru de citire deschis nesfârșit), deoarece îi lipsește o secvență care să semnaleze sfârșitul unei proteine și, prin urmare, teoretic nu are limită. Ei au descoperit apoi că infecția virală declanșează producția proteinei Neo, care determină celulele să înceteze să se dividă. Descoperirile, care nu au fost încă revizuite de colegi, au fost postate pe serverul de preprinturi bioRxiv pe 8 mai.

Cum oprește Neo creșterea celulelor infectate nu este încă clar, spun cercetătorii. O structură 3D prezisă a unei porțiuni din Neo — lungimea sa probabil variază în funcție de cât de mult din ARN-ul său este tradus — sugerează că formează o serie de elice. Experimente precedente au arătat că distrugerea acestor forme a neutralizat efectele toxice ale lui Neo. Exact cum infecția virală declanșează crearea proteinei Neo este, și acest fenomen rămâne de asemenea, un mister pe care abea șteaptă să îl decopere, spune Bernheim.

Viață minunată

Descoperirea că transcriptaza inversă — cunoscută anterior doar pentru copierea materialului genetic — poate crea gene complet noi, a uimit și alți cercetători. „Aceasta pare a fi o biologie a unor organisme extraterestre,” a scris Israel Fernandez, chimist computațional la Universitatea Complutense din Madrid, pe X.

„Descoperirile lor au fost uimitoare,” spune Nicolás Toro García, biolog molecular la Stația de Cercetare Experimentală Zaidín, Consiliul Național de Cercetare din Spania, în Granada, Spania, și ar trebui să ajute cercetătorii să dezvolte aplicații biotehnologice pentru acest sistem.

Descoperirea a provocat admirație și din partea lui Sternberg acesta afirmând că acestă perspectivă „Ar trebui să schimbe modul în care privim genomul.”