La enzima que permitió descifrar el código genético

En la biología casi nunca se avanza de la manera muchos que marcan como ideal, el científico piensa en un problema determinado entonces propone una hipótesis y resuelve cual es la mejor manera de poner a prueba dicha hipótesis, un experimento que por supuesto funciona. Hipótesis-deducción pura, experimento, resultado etc. Como todo sistema complejo la investigación depende de muchísimos factores y en no pocas ocasiones intentando estudiar una cosa se encuentra otra diferente y ésta a su vez abre nuevas y prolíficas vías, y se lía. Este es el caso del descubrimiento del que se cumplen 60 años en 2015, que propició parte del Nobel de Medicina de 1959 concedido a Severo Ochoa.

Estudiando el papel del ATP, la ‘moneda’ energética celular, en el laboratorio de Severo Ochoa, la científica Marianne Grunberg-Manago descubrió una enzima muy peculiar que daría alguna alegría a la biología molecular. Una enzima que hacía desaparecer el ADP de la muestra de estudio y la volvía más turbia. Se tardó meses en caracterizar la sustancia que resultaba de la desaparición del ADP que resultó ser un polímero de adenina, una de las bases presentes en el ADN y ARN (poliA), en este caso un poliARN. Había aparecido una de las moléculas de moda tras la irrupción de la doble hélice de ADN de Watson y Crick en 1953.

Con gran tesón y suerte habían aislado una proteína que catalizaba la síntesis de polinucleótidos a partir de nucleótidos como ADP. Esto era una cosa importante, no se conocía ningún sistema que sintetizara ARN y se buscaban con ahínco las creadoras de las moléculas guardianas de la información genética, del ADN y ARN, la pega es que lo hacía de novo, no necesitaba una plantilla que copiar, no era la sintetasa buscada. Con todo, tuvieron mucha fortuna, in vivo este enzima degrada el ARN no lo crea, pero en esas condiciones in vitro con nucleótidos difosfato y muy poco fosfato, la reacción discurría ‘al revés’, creaba cadenas de nucleótidos.

PNPase polynucleotide phosphorylase grunberg-manago ochoa ortiz growing chain

Polinucleotido fosforilasa sintetizando poliA hacia a la izquierda o degradando hacia la derecha dando moléculas de ADP y fosfato. Está formada por tres subunidades idénticas, cada una de las cuales posee dos dominios parecidos u homólogos (en azul cian y blanco) unidos firmemente entre los que aparece también un dominio todo helicoidal (en amarillo).

Resultó que con la recién descubierta polinucleótido fosforilasa (PNPasa) se podían fabricar cadenas de las distintas bases que forman el ARN: poliU (Uracilo), poliA (Adenina), poliC (citosina), poliG (guanina). Los polímeros monótonos de un solo nucleótido, servirían años más tarde, en 1961, para que Marshall Nireberg y Heinrich Matthaei resolvieran el primer elemento del código genético, otro gran hito, UUU codifica Fenilalanina (Phe). Un poliU en manos de un extracto celular de síntesis de proteínas daba como resultado un polipéptido se sólo fenilalanina. Un experimento crucial que abrió las puertas y la carrera, con codazos, para dilucidar el código genético de los organismos que viven en la tierra. ¡Todo un hallazgo!

grunberg-mango priscila ortiz severo ochoa science PNPase polynucleotide

Artículo destacado en la revista (ScienceScienceMoment paper). Hay que ver que pocos artículos traía entonces esta revista. Enzymatic Synthesis of Nucleic Acidlike. Polynucleotides. Science 11 nov 1955. Polynucleotide Phosphorylase PNPase.

El grupo de investigadores no buscaba falsar ninguna hipótesis, estudiaba un sistema obtuvo algo raro y Grungberg-manago pensó que podía ser una macromolécula, mediante muchas pruebas químicas averiguó que era y después vinieron los usos y discusiones colaterales sobre su función, importancia, etc. La PNPasa de Grunber-Manago, Severo Ochoa y Priscila Ortiz, es una enzima que ha permanecido algo enigmática hasta ahora, de hecho su función no estaba muy clara y la deducció lógica aquí vale de poco. Hasta el 2000 no conocíamos ni su preciosa estructura. La molécula aislada en 1955 se forma a partir de tres unidades iguales y configura un conduto estrecho donde se puede acoplar la cadena de ARN creciente o degradada, según sea el caso.

Mediante el conocimiento de la estructura los investigadores están intentando comprender la reacción que catalizan estas enzimas, el mecanismo de reacción por el cual sintetiza o degrada ARN, por qué forma un trímero con un conducto central (puede ser para aumentar su procesividad) y por qué cada una de las subunidades tiene dos dominios similares pero algo diferenciados, en uno se encuentra el centro activo y en el otro no se sabe si su espejo a variado para cumplir otra función.

Es una enzima que se encuentra en todos los organismos conocidos y que tiene funciones algo diferentes en algunos de ellos. Se encuentra en bacterias y arqueobacterias degradando ARN o en cloroplastos donde parece tener que ver con la poliAdenilación de ARN y en eucariotas se da un homólogo denominado exosoma que degrada ARN mensajero. La PNPasa pertenece a una super familia las RNAsa muy conservada en cuanto estructura funcional, con algunas interesantes excepciones como la que se encuentra en los cloroplastos. Es una preciosa nanomáquina de 90Ä de diámetro con un hueco muy pequeño 9Ä capaz de acoplar la molécula ARN monocatenario y degradarla o ampliarla, lo que la hace importante para la regulación de la expresión génica, responsable de la vida media de los mensajeros y por tanto en sus productos. No está mal haberse encontrado una enzima así, pero hay que estar buscando.

PNPase RNA polynucleotide phosphorylase grunberg manago ochoa ortiz 1965 structure GDP UDP ADP CDP

Estructura de la famosa Polinucleótido fosforilasa de e.coli que permitió sintetizar el poli nucleótido de uracilo o poli U que se utlizó para descifrar el primer elemento del código genético. La secuencia de pollU en un sistema de estudio de la síntesis de proteínas daba un polipéptido de fenilalaninas.
Polynucleotide phosphorylase (PNPase) is an exoribonuclease that cleaves single-stranded RNA substrates with 3’–5’ directionality and processive behaviour. In vitro also catalyzes reverse reaction, the shynthesis of polynucleotides from 5’ – nucleoside diphosphates with release of orthophosphate.

Severo Ochoa fue galardonado con el Nobel de Fisiología y Medicina de 1959 junto con Arthur Kornberg por «por su descubrimiento de los mecanismos de la síntesis biológica de los ácidos ribonucleico y desoxirribonucleico». Asombrosamente Grunber-manago no compartió el galardón con estos magníficos científicos pese a su gran contribución, pero pasará a la historia con esta singular enzima. La ciencia no la hacían solo hombres blancos y Marie Curie.

Esta entrada participa en la LII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog El celuloide de Avogadro de @CeluloideA

REFERENCIAS

Crystal structure of Caulobacter crescentus polynucleotide phosphorylase reveals a mechanism of RNA substrate channelling and RNA degradosome assembly. Steven W. Hardwick, Tobias Gubbey, Isabelle Hug, Urs Jenal, Ben F. Luisi. Published 4 April 2012.DOI: 10.1098/rsob.120028
A duplicated fold is the structural basis for polynucleotide phosphorylase catalytic activity, processivity, and regulation. Symmons MF, Jones GH, Luisi BF. Structure. 2000 Nov 15;8(11):1215-26.

ENZYMATIC SYNTHESIS AND BREAKDOWN OF POLYNUCLEOTIDES; POLYNUCLEOTIDE PHOSPHORYLASE. Marianne Grunberg-Manago, Severo Ochoa J. Am. Chem. Soc., 1955, 77 (11), pp 3165–3166

Crystal structure of Escherichia coli PNPase: Central channel residues are involved in processive RNA degradation. Zhonghao Shi, Wei-Zen Yang, Sue Lin-Chao, Kin-Fu Chak, and Hanna S. Yuan. RNA 2008. 14: 2361-2371

Grunberg-manago

http://www.cac.es/severoochoa/pages/trabajos_cientificos/recopilacion_trabajos/141-164/141-164.jsp?swf=tbjrec141.swf

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