W niedawnym badaniu zidentyfikowano nową biochemię RNA działa w niskich temperaturach.
Rybonukleinowy kwas (RNA) to istotna cząsteczka biologiczna, która odgrywa znaczącą rolę w genetyce organizmów i jest niezbędna do powstania i ewolucji życia. Strukturalnie podobny do DNARNA pełni różne funkcje biologiczne, w dużej mierze zdeterminowane jego konformacją przestrzenną, tj. sposobem, w jaki cząsteczka zwija się w siebie.
Teraz artykuł opublikowany w czasopiśmie Postępowanie Narodowej Akademii Nauk (PNAS) po raz pierwszy opisuje, w jaki sposób proces fałdowania RNA w niskich temperaturach może otworzyć nowe spojrzenie na pierwotną biochemię i ewolucję życia na planecie.
Badanie prowadzi profesor Fèlix Ritort z Wydziału Fizyki oraz Instytutu Nanonauki i Nanotechnologii (IN2UB) Uniwersytetu w Barcelonie, a badanie podpisali także eksperci UB Paolo Rissone, Aurélien Severino i Isabel Pastor.
Nowa biochemia RNA w niskich temperaturach
RNA powstaje poprzez połączenie cząsteczek rybozy (monosacharydu) z grupami fosforanowymi, które wiążą się z czterema rodzajami zasad azotowych: adeniną (A), guaniną (G), cytozyną (C) i uracylem (U). Zarówno sekwencja zasad, jak i trójwymiarowa struktura RNA decydują o dużej wszechstronności funkcji charakteryzujących cząsteczkę.
Zespół wykorzystał mechaniczne rozwijanie RNA, aby dokładnie zrozumieć różnorodne formy, jakie przyjmuje RNA, gdy się zwija.
Fèlix Ritort, kierownik Laboratorium Małych Biosystemów na Wydziale Fizyki Materii Skondensowanej UB, twierdzi, że „złożone struktury cząsteczek biologicznych, od DNA po RNA i białka, determinują ich działanie biologiczne. Bez struktury nie ma funkcji, a bez funkcji nie ma życia.”
Badanie pokazuje, że sekwencje RNA tworzące struktury typu spinki do włosów zaczynają przyjmować nowe, zwarte struktury poniżej 20°C.
„Wszystkie badane cząsteczki RNA mają nieoczekiwane, nowe struktury w niskich temperaturach” – zauważa Ritort. „Zidentyfikowaliśmy zakres temperatur od +20°C do -50°C. Poniżej +20°C interakcje ryboza-woda zaczynają nabierać znaczenia, a maksymalną stabilność RNA osiąga się w +5°C, gdzie gęstość wody jest maksymalna. Poniżej 5°C o stabilności nowego RNA decydują interakcje ryboza-woda aż do -50°C, kiedy to RNA ponownie się rozwija, co prowadzi do zjawiska zimnej denaturacji”.
W artykule postawiono hipotezę, że ten zakres temperatur jest uniwersalny i wspólny dla wszystkich cząsteczek RNA, chociaż jest modulowany przez sekwencję i inne warunki środowiskowe, takie jak sól i kwasowość podłoża.
Te szeregi RNA to proste struktury stabilizowane przez tworzenie komplementarnych par zasad, w których adenina wiąże się z uracylem (AU), a guanina wiąże się z cytozyną (GC). Naukowcy uważają, że te nowe struktury „powstają w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych między rybozą i wodą, których masa jest równa lub większa niż interakcje między komplementarnymi zasadami w RNA (AU i GC)”. „Tak naprawdę – dodaje Ritort – „zjawisko to obserwuje się tylko w RNA, natomiast nie obserwuje się go w DNA, gdzie proton w pozycji 2′ dezoksyrybozy nie tworzy wiązań wodorowych z wodą”.
Aby wyciągnąć swoje wnioski, zespół zastosował technikę optycznej spektroskopii sił pęsetą, subtelną i precyzyjną technikę pomiaru termodynamiki molekularnej. Technika ta umożliwiła pomiar zmian entropii i pojemności cieplnej podczas zwijania różnych RNA. Wykrywa zatem spadek pojemności cieplnej stanu zwiniętego w okolicach 20°C, co wskazuje na zmniejszenie liczby stopni swobody sfałdowanego RNA (prawdopodobnie na skutek efektu indukowanego przez wiązania ryboza-woda).
Poza tradycyjnym poglądem na RNA
Jakie jednak konsekwencje może mieć to zjawisko dla biochemii i biologicznych funkcji RNA? Pierwszą kwestią, na którą należy zwrócić uwagę, jest to, że dominacja interakcji ryboza-woda stanowi zmianę dotychczas znanych zasad, które określają, w jaki sposób biochemia RNA jest stabilizowana przez parowanie AU i GC oraz siły układania zasad.
Profesor UB dodaje, że „ta nowa zmieniona biochemia, którą definiujemy w artykule, ma konsekwencje dla organizmów zamieszkujących zimne regiony Ziemi (psychrofile), od regionów alpejskich po głębokie wody oceanów i terytoria arktyczne, w temperaturach poniżej 10°C w faza eutektyczna wody słonej.”
Poza specyficznymi zasadami parowania AU i GC „nowa biochemia RNA określona przez interakcje ryboza-woda wskazuje na istnienie prymitywnej, grubej biochemii opartej na rybozie i innych cukrach, która poprzedza biochemię samego RNA, którą nazwaliśmy świat słodkiego RNA. Ta prymitywna biochemia prawdopodobnie zaczęła ewoluować w zimnym środowisku rozległej przestrzeni kosmicznej, najprawdopodobniej na ciałach niebieskich blisko gwiazd i podlegających cyklom termicznym ciepła i zimna” – podsumowuje Ritort.
Odniesienie: „Uniwersalne przejścia fazowe zimnego RNA” autorstwa Paolo Rissone, Aurélien Severino, Isabel Pastor i Felix Ritort, 16 sierpnia 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2408313121
