Un estudi de l’IRB Barcelona descriu el mecanisme de reacció dels DNAzims, i obre noves possibilitats en el camp dels biocatalitzadors

Un estudi de l’Institut de Recerca Biomèdica (IRB Barcelona) publicat a la revista Nature Catalysis descriu el mecanisme de reacció de la DNAzim 9DB1, el primer catalitzador sintètic fet d’ADN disponible. 

Fins fa poc assumíem que el paper de l’ADN era emmagatzemar la informació genètica d’una manera estable i irreversible. Ara bé, aquesta percepció va canviar en l’última dècada amb el descobriment del codi epigenètic i del fet que els àcids nucleics també poden catalitzar certes reaccions. 

L'equip de Modesto Orozco, cap del laboratori de Modelització Molecular i Bioinformàtica de l'IRB Barcelona, ha trobat que aquesta DNAzim catalitza la lligació d'ARN utilitzant un mecanisme similar al dels enzims naturals.

Les conclusions de la investigació poden afavorir la millora i els disseny de nous catalitzadors en el camp dels biocatalitzadors compostos d’ADN. En concret, els DNAzims s’estan desenvolupant per a aplicacions de diagnòstic i de teràpia en biomedicina, ja que poden realitzar diferents tipus de reaccions sobre els ARN missatgers i donen lloc al silenciament dels gens.  

“El paper dels DNAzims com a catalitzadors genera un gran interès en ser més fàcils de sintetitzar, més estables i menys costosos que les proteïnes o les molècules d’ARN. No obstant, els seu mecanisme catalític era desconegut fins ara, així com les diferències existents entre catalitzadors fets d'ADN i ARN o els enzims proteics” comenta Orozco, catedràtic de la Universitat de Barcelona. 

L’objectiu de l’estudi publicat per l’equip de l’IRB Barcelona era entendre en profunditat el mecanisme catalític dels DNAzims. Per aconseguir-ho, Juan Aranda i Montse Terrazas, investigadors post-doctorals de l’IRB Barcelona i primers autors d’aquest treball, van estudiar el DNAzim9DB1 a nivell atomístic, mitjançant simulacions computacionals i la seva validació experimental. 

Durant l’estudi s’han aplicat diverses tècniques computacions que van des de dinàmiques moleculars fins a l’ús dels mètodes híbrids de la mecànica quàntica i mecànica clàssica, que han permès caracteritzar l’estat competent catalíticament de 9DB1. D’aquesta manera s’ha obtingut la primera descripció atomística del mecanisme de reacció d’un DNAzim, i s’han caracteritzat les interaccions més importants en la catàlisi i en l’estat de transició de la reacció. 

Experimentalment s’han sintetitzat in vitro variants del DNAzim per confirmar el mecanisme predit computacionalment. El mecanisme de reacció utilitzat pel DNAzim s’assembla al de les polimerases, que utilitza dos cations divalents. 

Per últim, s’han analitzat les diferències i similituds entre la capacitat catalítica de l’ADN, l’ARN i les polimerases, o com el fet de tenir accés a la informació atomística, permet dissenyar DNAzims més eficients. 

L’estudi ha comptant amb el finançament del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats, el SGR del Govern de Catalunya, l’Institut Nacional de Bioinformàtica, el Consell Europeu d’Investigació (ERC per les seves sigles en anglès), l’Horitzó 2020 de la Unió Europea i els Fons Europeu de Desenvolupament Regional (FEDER). 

Article de referència:

Juan Aranda, Montserrat Terrazas, Hansel Gómez, Núria Villegas i Modesto Orozco

An artificial DNAzyme RNA ligase shows a reaction mechanism resembling that of cellular polymerases

Nature Catalysis (2019) DOI: 10.1038/s41929-019-0290-y