Il progetto per la vita sul nostro pianeta è tipicamente scritto da molecole di DNA utilizzando un alfabeto genetico di quattro lettere. Ma alcuni virus che invadono i batteri portano in giro il DNA con una lettera diversa – Z – che potrebbe aiutarli a sopravvivere. E nuovi studi mostrano che è molto più diffuso di quanto si pensasse in precedenza.
Una serie di nuovi articoli descrive come questa strana lettera chimica entra nel DNA virale e i ricercatori hanno ora dimostrato che il “genoma Z” è molto più diffuso nei virus che invadono i batteri in tutto e potrebbe essersi evoluto per aiutare i patogeni a sopravvivere alle difficili condizioni che c’erano sulla Terra primordiale.
Tre studi separati su questo argomento sono stati pubblicati il 29 aprile su Science.
Il DNA è quasi sempre costituito dallo stesso alfabeto di quattro lettere di composti chimici noti come nucleotidi: guanina (G), citosina (C), timina (T) e adenina (A). Una molecola di DNA è costituita da due filamenti di queste sostanze chimiche che sono legate insieme in una forma a doppia elica. L’alfabeto del DNA è lo stesso sia che codifichi le rane, gli umani o la pianta vicino alla finestra, ma le istruzioni sono diverse. La molecola RNA usa quasi lo stesso alfabeto, ma usa l’uracile (U) al posto della timina.
Nel 1977, un gruppo di scienziati russi scoprì che un cianofago, un virus che invade i cianobatteri, utilizza la 2-aminoadenina (Z) al posto dell’adenina. In altre parole, l’alfabeto genetico che tipicamente consiste di ATCG nella maggior parte degli organismi del nostro pianeta è ZTCG in questi virus.
Per decenni, questa è stata una scoperta che ha lasciato perplessi i ricercatori e poco si sapeva su come potesse essere avvenuta questa sostituzione e che impatto potesse avere su questi virus. Alla fine degli anni ’80, i ricercatori scoprirono che questo nucleotide Z in realtà da al virus alcuni vantaggi: è più stabile a temperature più elevate, aiuta un filamento di DNA a legarsi più accuratamente al secondo filamento di DNA dopo la replicazione (il DNA è a doppio filamento) e lo Z-DNA potrebbe resistere a certe proteine presenti nei batteri che normalmente distruggono il DNA virale.
Ora, due gruppi di ricerca in Francia e uno in Cina hanno scoperto un altro pezzo del puzzle: come questo nucleotide Z finisce nei genomi dei batteriofagi, virus che invadono i batteri e usano i suoi meccanismi per replicarsi.
La fabbrica del genoma Z
Tutti e tre i gruppi di ricerca, utilizzando una varietà di tecniche genomiche, hanno identificato una parte del percorso che porta alla creazione del genoma Z nei batteriofagi.
I primi due gruppi hanno trovato due proteine note come PurZ e PurB che sono coinvolte nella produzione del nucleotide Z. Una volta che il cianofago inietta il suo DNA nei batteri per replicarsi, avvengono una serie di trasformazioni: queste due proteine formano un precursore della molecola Z e quindi convertono la molecola precursore Z nel nucleotide Z. Altre proteine poi lo modificano in modo che possa essere incorporato nel DNA.
Il terzo gruppo ha identificato l’enzima responsabile dell’assemblaggio di nuove molecole di DNA dalla molecola di DNA madre: una DNA polimerasi nota come DpoZ. Hanno anche scoperto che questo enzima esclude specificamente il nucleotide A e aggiunge sempre invece la Z.
Per decenni, il genoma Z era noto per esistere solo in una specie di cianobatteri. “Si credeva che questo genoma Z fosse molto raro“, ha detto Suwen Zhao, assistente professore alla scuola di scienze della vita e tecnologia presso la ShanghaiTech University e autore senior di uno degli studi.
Zhao e il suo team hanno analizzato le sequenze dei fagi con il genoma Z e le hanno confrontate con altri organismi. Hanno scoperto che i genomi Z sono in realtà molto più diffusi di quanto si pensasse in precedenza. Il genoma Z è presente in più di 200 diversi tipi di batteriofagi.
I fagi che trasportano questo genoma Z “potrebbero essere considerati una forma di vita diversa“, ha detto Pierre Alexandre Kaminski, ricercatore presso l’Institut Pasteur in Francia, autore senior di un altro degli studi e coautore del terzo. Ma “è difficile conoscerne l’origine esatta” ed è necessario esplorare la misura in cui questa proteina PurZ esiste attraverso i batteriofagi e forse anche gli organismi.
Kaminski e il suo gruppo hanno analizzato la storia evolutiva della proteina PurZ e hanno scoperto che è correlata a una proteina chiamata PurA trovata negli archei che sintetizza il nucleotide A. Questa connessione evolutiva “distante” solleva la questione se le proteine coinvolte nella produzione del nucleotide Z siano nate nei batteri e siano state eventualmente adattate dai virus, o se si siano verificate più frequentemente in forme di vita preliminari sul pianeta, forse anche all’interno delle cellule, Michael Grome e Farren Isaacs dell’Università di Yale, che non hanno partecipato a questi studi, hanno scritto un articolo di prospettiva correlato pubblicato anche questo su science il 29 aprile.
PurZ e DpoZ sono spesso ereditati insieme, il che suggerisce che i genomi Z sono esistiti insieme al DNA normale sin dai primi giorni di vita sul nostro pianeta, prima di 3,5 miliardi di anni fa, scrivono i due scienziati. Inoltre, un’analisi condotta nel 2011 su un meteorite caduto in Antartide nel 1969 ha scoperto il nucleotide Z insieme ad alcuni nucleotidi standard e non standard di probabile origine extraterrestre, “sollevando la possibilità che Z abbia avuto un ruolo fondamentale nella nascita delle prime forme di vita“, hanno scritto.
Future Z
È possibile che questo genoma Z, se era già presente nella storia primordiale del nostro pianeta, avrebbe potuto conferire un vantaggio alle prime forme di vita. “Penso che il genoma Z permetta agli organismi di sopravvivere nell’ambiente caldo e duro del pianeta primordiale“, ha detto Zhao.
Il genoma Z è molto stabile. Quando due filamenti di DNA normale si uniscono per formare una doppia elica, due legami idrogeno legano A a T e tre legami idrogeno legano G a C. Ma quando A viene sostituito con Z, tre legami idrogeno li legano insieme, rendendo il legame più forte.
Questo è l’unico DNA non normale che modifica il legame idrogeno, ha detto Kaminski.
Ma non sorprende che il genoma Z non sia diffuso tra le specie oggi. Il genoma Z crea DNA molto stabile, ma non flessibile, ha detto Zhao. Per molti eventi biologici, come la replicazione del DNA, abbiamo bisogno di decomprimere il doppio filamento e il legame idrogeno extra rende più difficile la decompressione, ha detto. “Penso che sia più adatto per ambienti caldi e difficili, ma non per l’ambiente più confortevole degli ultimi centinaia di milioni di anni“, ha commentato Zhao.
Tuttavia, la stabilità del genoma Z lo rende un candidato ideale per determinate tecnologie. Ora che i ricercatori sanno quali proteine utilizza il virus per creare questi genomi Z, gli scienziati possono crearli da soli. “Ora possiamo produrre il genoma Z su larga scala“, ha detto Zhao.
Ad esempio, il genoma Z può aiutare a migliorare le terapie basate sui fagi, che sono metodi di trattamento delle infezioni batteriche che utilizzano i batteriofagi che, in genere, si utilizzano quando i batteri sviluppano resistenza agli antibiotici.
Oppure, potrebbe essere utilizzato per migliorare la longevità e la capacità di targeting dei filamenti di DNA utilizzati nella terapia genica, secondo l’articolo prospettico. Inoltre, i ricercatori potrebbero studiare cosa potrebbe accadere se incorporassero il genoma Z nelle cellule per migliorarne il funzionamento, sempre secondo l’articolo prospettico.
Ma ci sono ancora moltissime domande senza risposta sul genoma Z.
Ad esempio, Zhao spera di capire se la sua struttura 3D presenta differenze rispetto a quella del DNA normale, mentre Kaminski spera di esplorare ulteriormente i vantaggi che questo genoma Z offre al batteriofago oltre ad aiutarlo a eludere le proteine di difesa dei batteri.
Non è noto se il genoma Z possa anche costituire filamenti del relativo RNA del DNA, secondo l’articolo prospettico. Non è nemmeno chiaro se questo genoma Z possa incorporarsi nei geni dell’ospite batterico di un virus. Ciò che è chiaro da questi studi è che il genoma Z è più diffuso di quanto pensassimo e probabilmente ha una storia evolutiva molto interessante.
