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Publicaciones CNIO, Año 2014

Nature Structural & Molecular Biology

Un equipo del CNIO consigue visualizar por primera vez el proceso de rotura de la doble hélice de ADN

Madrid, 8 de diciembre, 2014

Los investigadores han congelado cerca de 200 estructuras biológicas para ilustrar la reacción química de rotura que dura microsegundos

La rotura del ADN ocurre en numerosos procesos naturales como la reparación del material genético, la mutagénesis o la síntesis de nuevas moléculas de ADN

La comprensión de este mecanismo contribuirá a mejorar las herramientas biotecnológicas que se emplean en el tratamiento de enfermedades genéticas y el diseño de organismos genéticamente modificados

Científicos del Grupo de Cristalografía de Macromoléculas del Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), dirigido por Guillermo Montoya, han desarrollado un método de producción de cristales biológicos que ha permitido observar, por primera vez, cómo se produce la rotura de la doble cadena del ADN. Además, han creado una simulación informática que hace visible al ojo humano este proceso, de duración en la naturaleza de millonésimas de segundo. El trabajo se publica hoy en la revista Nature Structural & Molecular Biology.

“Se sabía que las enzimas, o proteínas, endonucleasas son las responsables de esta rotura, pero hasta ahora no se conocía el mecanismo exacto”, cuenta Montoya. “En nuestro trabajo detallamos los procesos dinámicos de esta reacción biológica básica mediada por la enzima I-DmoI. Nuestras observaciones son extrapolables a otras muchas familias de endonucleasas que actúan de forma idéntica”.

La rotura del ADN ocurre en numerosos procesos naturales clave para la vida: mutagénicos, de síntesis, de recombinación, de reparación. El campo de la biología molecular la emplea, también, en procesos artificiales. Una vez desentrañado el mecanismo exacto por el que se produce, este conocimiento podrá emplearse en múltiples aplicaciones biotecnológicas: desde la corrección de mutaciones para tratar enfermedades raras y genéticas, hasta el desarrollo de organismos genéticamente modificados.

UNA REACCIÓN EN ‘SLOW-MOTION’

Las enzimas son sistemas dinámicos altamente especializados. Su función de rotura podría asemejarse, según indica Montoya, a la de una máquina para cortar telas tan especializada, que estuviera programada “para hacer el corte solo cuando bajo la cuchilla pasara un trozo de tejido con una determinada combinación de colores”.

En este caso, los investigadores se centraron en observar los cambios conformacionales ocurridos en el centro activo de I-DmoI, aquella región que contiene los aminoácidos que actúan como cuchilla e inducen la rotura del ADN.

Alterando la temperatura y el pH, el equipo del CNIO ha ralentizado hasta diez días una reacción química que en condiciones normales dura microsegundos. En estas condiciones, han creado una película en slow- motion de todo el proceso.

“Introduciendo metales hemos sido capaces de disparar la reacción enzimática para posteriormente producir cristales biológicos y congelarlos a -200 ºC”, explica Montoya. “Así, recogimos hasta 185 estructuras cristalográficas que representan todos los cambios conformacionales de cada paso de la reacción”.

Finalmente, mediante análisis computacional, los investigadores han ilustrado los siete estadios intermedios del proceso de separación de las cadenas de ADN. “Es muy emocionante, porque la elucidación de este mecanismo nos dará la información necesaria para rediseñar estas enzimas y mejorar la precisión de los bisturíes moleculares, las herramientas esenciales para la modificación del genoma”, concluye.

El estudio ha contado con la colaboración del grupo computacional de Modesto Orozco, de IRB Barcelona, y ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad y la Fundación Ramón Areces.

Imagen que representa la enzima I-DmoI (en color púrpura) asociada de manera específica a la doble hebra de ADN (en amarillo y verde) que va a cortar. /CNIO

Explicación: El vídeo ilustra cómo la endonucleasa I-DmoI rompe los enlaces de fosfodiéster que mantienen el esqueleto del ADN. Partiendo del estado inicial (estado 1), se observa la entrada sucesiva de dos metales en el centro activo (estado 2) y la llegada de un tercer metal a la posición central (estado 3). El tercer metal juega un papel crucial en la disolución de los enlaces de fosfodiéster (estados 4 y 5). Por último, el metal central abandona su posición tras la rotura de la doble cadena (estado 6).

Artículo de referencia:

Visualizing phosphodiester-bond hydrolysis by an endonuclease. Rafael Molina, Stefano Stella, Pilar Redondo, Hansel Gomez, María José Marcaida, Modesto Orozco, Jesús Prieto, Guillermo Montoya. Nature Structural & Molecular Biology (2014). doi: 10.1038/nsmb.2932

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