Casi toda la vida en la tierra se basa en el ADN que se copia, o se replica. Ahora por primera vez los científicos han podido ver la replicación de una sola molécula de ADN, con algunos hallazgos sorprendentes. Por un lado, hay mucho más aleatoriedad en el trabajo de lo que se ha pensado.
"Es una manera diferente de pensar acerca de la replicación que plantea nuevas preguntas", dijo Stephen Kowalczykowski, distinguido profesor de Microbiología y genética molecular en la Universidad de California, Davis. El trabajo se publicó el 15 de junio en la revista Cell con los coautores James Graham, investigador posdoctoral en UC Davis y Kenneth Marians, Sloan Kettering Cancer Center.
Usando tecnología sofisticada de la proyección de imagen y una gran cantidad de paciencia, los investigadores podían mirar el ADN de la bacteria de E. coli mientras replicaba y medía tan rápido como la maquinaria enzimática funcionó en los diversos filamentos.
Fundamentos de replicación de ADN
La doble hélice de ADN está hecha de dos hebras que corren en direcciones opuestas. Cada filamento se hace de una serie de bases, A, T, C y G, que emparejan entre las hebras: A a T y C a G.
El primer paso en la replicación es una enzima llamada helicase que se desenrolla y "comprime" la doble hélice en dos hebras individuales. Una enzima llamada primase adjunta una "cartilla" a cada filamento que permite que la replicación comience, entonces otra enzima llamada ADN polimerasa se adhiere a la cartilla y se mueve a lo largo del filamento añadiendo nuevas "letras" para formar una nueva hélice doble.
"Es una manera diferente de pensar acerca de la replicación que plantea nuevas preguntas", dijo Stephen Kowalczykowski, distinguido profesor de Microbiología y genética molecular en la Universidad de California, Davis. El trabajo se publicó el 15 de junio en la revista Cell con los coautores James Graham, investigador posdoctoral en UC Davis y Kenneth Marians, Sloan Kettering Cancer Center.
Usando tecnología sofisticada de la proyección de imagen y una gran cantidad de paciencia, los investigadores podían mirar el ADN de la bacteria de E. coli mientras replicaba y medía tan rápido como la maquinaria enzimática funcionó en los diversos filamentos.
Fundamentos de replicación de ADN
La doble hélice de ADN está hecha de dos hebras que corren en direcciones opuestas. Cada filamento se hace de una serie de bases, A, T, C y G, que emparejan entre las hebras: A a T y C a G.
El primer paso en la replicación es una enzima llamada helicase que se desenrolla y "comprime" la doble hélice en dos hebras individuales. Una enzima llamada primase adjunta una "cartilla" a cada filamento que permite que la replicación comience, entonces otra enzima llamada ADN polimerasa se adhiere a la cartilla y se mueve a lo largo del filamento añadiendo nuevas "letras" para formar una nueva hélice doble.
Debido a que los dos filamentos en la hélice doble funcionan en direcciones opuestas, las polimerasas trabajan diferentemente en los dos filamentos. En un filamento-el "filamento principal"-la polimerasa puede moverse continuamente, dejando un rastro de ADN Nuevo de doble hebra detrás de él.
Pero en el otro, "filamento rezagado," la polimerasa tiene que moverse en comienzo, fijando, produciendo un estiramiento corto del ADN de doble hebra entonces cayendo apagado y comenzando otra vez. La sabiduría convencional es que las polimerasas sobre las hebras principales y rezagadas de alguna manera están coordinadas para que no se salga adelante de la otra.
El experimento: círculos del balanceo y tinte fluorescente
Para llevar a cabo su experimento, los investigadores utilizaron una pieza circular de ADN, unida a una corredera de vidrio por una cola corta. A medida que la maquinaria de replicación rueda alrededor del círculo, la cola se alarga. Podrían activar o desactivar la replicación mediante la adición o eliminación de combustible químico (trifosfato de adenosina, ATP) y el uso de un tinte fluorescente que se une a ADN de doble hebra para iluminar las hebras de crecimiento. Finalmente, todo el conjunto está en una cámara de flujo, por lo que las hebras de ADN se extienden como banderas en la brisa.
Paradas, arranques y velocidades variables
Una vez que Graham, Kowalczykowski y Marians empezaron a ver hebras de ADN individuales, notaron algo inesperado. La replicación se detiene de forma impredecible y, cuando se inicia de nuevo, puede cambiar la velocidad.
"La velocidad puede variar alrededor de diez veces", dijo Kowalczykowski.
A veces la síntesis del filamento rezagado para, pero el filamento principal continúa creciendo. Esto aparece como un área oscura en el filamento que brilla intensamente, porque el tinte no se pega al ADN monocatenario.
"Hemos demostrado que no hay coordinación entre las hebras." Son completamente autónomas, dijo Kowalczykowski.
Lo que parece ser la coordinación es realmente el resultado de un proceso aleatorio de arranque, parada y velocidades variables. Con el tiempo, una hebra se moverá a una velocidad media; Mira un número de hebras al mismo tiempo, y tendrán la misma velocidad media.
Kowalczykowski lo comparó con el tráfico en una autopista.
"A veces el tráfico en el carril uno se mueve más rápido y te pasa, y luego lo pasaa." "Pero si viajas lo suficientemente lejos llegas al mismo lugar al mismo tiempo."
Los investigadores también encontraron una especie de "tirador del hombre muerto" o freno automático en helicase, que descomprime el ADN por delante del resto de las enzimas. Cuando la polimerasa se detiene, la helicase puede seguir moviéndose, abriendo potencialmente un espacio de ADN desenrollado que podría ser vulnerable al daño. De hecho, el ADN de un solo filamento expuesto establece una señal de alarma dentro de la célula que activa las enzimas de reparación.
Pero resulta que cuando se desacopla y comienza a huir del resto del complejo de replicación, helicase se ralentiza alrededor de cinco veces. Así que puede tragar a lo largo hasta que el resto de las enzimas se ponen al día y luego acelerar de nuevo.
Este nuevo enfoque estocástico es una nueva forma de pensar acerca de la replicación del ADN y otros procesos bioquímicos, dijo Kowalczykowski. "Es un cambio de paradigma real, y socava una gran cantidad de lo que hay en los libros de texto", dijo.