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Ácido nucleico de treosa

El ácido nucleico treosa ( TNA ) es un polímero genético artificial en el que el azúcar ribosa natural de cinco carbonos que se encuentra en el ARN ha sido reemplazado por un azúcar treosa no natural de cuatro carbonos . [1] Inventado por Albert Eschenmoser como parte de su búsqueda para explorar la etiología química del ARN, [2] el TNA se ha convertido en un polímero genético sintético importante ( XNA ) debido a su capacidad para aparearse de manera eficiente con secuencias complementarias de ADN y ARN. [1] La principal diferencia entre el TNA y el ADN/ARN es su estructura principal. El ADN y el ARN tienen sus estructuras principales de fosfato unidas al carbono 5' del anillo de azúcar desoxirribosa o ribosa, respectivamente. El TNA, por otro lado, tiene su estructura principal de fosfato directamente unida al carbono 3' en el anillo, ya que no tiene un carbono 5'. Esta estructura principal modificada [3] hace que el TNA, a diferencia del ADN y el ARN, sea completamente refractario a la digestión por nucleasas , lo que lo convierte en un análogo de ácido nucleico prometedor para aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico. [4]

Los oligonucleótidos de TNA se construyeron por primera vez mediante síntesis automatizada en fase sólida utilizando química de fosforamidita. Los métodos para monómeros de TNA sintetizados químicamente (fosforamiditas y trifosfatos de nucleósidos) se han optimizado en gran medida para respaldar proyectos de biología sintética destinados a avanzar en la investigación de TNA. [5] Más recientemente, los esfuerzos de ingeniería de polimerasas han identificado polimerasas de TNA que pueden copiar información genética de ida y vuelta entre ADN y TNA. [6] [7] La ​​replicación de TNA ocurre a través de un proceso que imita la replicación de ARN. En estos sistemas, el TNA se transcribe de forma inversa en ADN, el ADN se amplifica mediante la reacción en cadena de la polimerasa y luego se transcribe de forma directa nuevamente en TNA.

La disponibilidad de polimerasas de TNA ha permitido la selección in vitro de aptámeros de TNA biológicamente estables para dianas proteicas y de moléculas pequeñas. [8] [9] [10] Dichos experimentos demuestran que las propiedades de la herencia y la evolución no se limitan a los polímeros genéticos naturales de ADN y ARN. [11] La alta estabilidad biológica de TNA en relación con otros sistemas de ácidos nucleicos que son capaces de experimentar una evolución darwiniana sugiere que TNA es un fuerte candidato para el desarrollo de aptámeros terapéuticos de próxima generación.

Se ha estudiado el mecanismo de síntesis de TNA por una polimerasa de TNA desarrollada en laboratorio mediante cristalografía de rayos X para capturar los cinco pasos principales de la adición de nucleótidos. [12] Estas estructuras demuestran un reconocimiento imperfecto del nucleótido trifosfato de TNA entrante y respaldan la necesidad de realizar más experimentos de evolución dirigida para crear polimerasas de TNA con una actividad mejorada. La estructura binaria de una transcriptasa inversa de TNA también se ha resuelto mediante cristalografía de rayos X, lo que revela la importancia de la plasticidad estructural como un posible mecanismo para el reconocimiento de plantillas. [13]

Sistema pre-ADN

John Chaput, profesor del Departamento de Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de California, Irvine , ha teorizado que las cuestiones relativas a la síntesis prebiótica de azúcares ribosa y la replicación no enzimática del ARN pueden proporcionar evidencia circunstancial de un sistema genético anterior producido más fácilmente en condiciones terrestres primitivas.{{subst: cn }} El TNA podría haber sido un sistema genético temprano y un precursor del ARN. [14] El TNA es más simple que el ARN y se puede sintetizar a partir de un único material de partida. El TNA es capaz de transferir información de ida y vuelta con el ARN y con hebras de sí mismo que son complementarias al ARN. Se ha demostrado que el TNA se pliega en estructuras terciarias con propiedades discretas de unión a ligandos. [8]

Aplicaciones comerciales

Aunque la investigación sobre el TNA todavía está en sus inicios, ya se vislumbran aplicaciones prácticas. Su capacidad para experimentar una evolución darwiniana, junto con su resistencia a las nucleasas, hacen del TNA un candidato prometedor para el desarrollo de aplicaciones diagnósticas y terapéuticas que requieren una alta estabilidad biológica. Esto incluiría la evolución de aptámeros de TNA que puedan unirse a dianas específicas de proteínas y moléculas pequeñas, así como el desarrollo de enzimas de TNA (treozimas) que puedan catalizar una reacción química. Además, el TNA es un candidato prometedor para terapias de ARN que involucran tecnología de silenciamiento génico. Por ejemplo, el TNA ha sido evaluado en un sistema modelo para tecnología antisentido. [15]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Schöning, KU et al. Etiología química de la estructura de los ácidos nucleicos: el sistema de oligonucleótidos a-treofuranosil-(3'-->2'). Science 290 , 1347-1351, (2000)
  2. ^ Eschenmoser, A. Etiología química de la estructura del ácido nucleico. Science 284 , 2118-2124, (1999).
  3. ^ Dunn, Matthew R.; Larsen, Andrew C.; Zahurancik, Walter J.; Fahmi, Nour Eddine; Meyers, Madeline; Suo, Zucai; Chaput, John C. (1 de abril de 2015). "La síntesis de polímeros de ácido nucleico de treosa (TNA) imparciales mediada por la ADN polimerasa requiere 7-deazaguanina para suprimir el apareamiento incorrecto de G:G durante la transcripción de TNA". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 137 (12): 4014–4017. doi :10.1021/ja511481n. ISSN  0002-7863.
  4. ^ Culbertson, MC et al. Evaluación de la estabilidad del TNA en condiciones fisiológicas simuladas. Bioorg. Med. Chem. Lett. 26 , 2418-2421, (2016).
  5. ^ Sau, SP, Fahmi, NE, Liao, J.-Y., Bala, S. y Chaput, JC Una síntesis escalable de monómeros de ácido nucleico α-L-treosa. J. Org. Chem. 81 , 2302-2307, (2016).
  6. ^ Larsen, AC et al. Una estrategia general para expandir la función de la polimerasa mediante microfluidos de gotas. Nat. Commun. 7 , 11235, (2016).
  7. ^ Nikoomanzar, A., Vallejo, D. y Chaput, JC Elucidación de los determinantes de la especificidad de la polimerasa mediante escaneo mutacional profundo basado en microfluidos. ACS Synth. Biol. 8 , 1421-1429, (2019).
  8. ^ ab Yu, H., Zhang, S. y Chaput, JC La evolución darwiniana de un sistema genético alternativo respalda la idea del TNA como progenitor del ARN. Nat. Chem. 4 , 183-187, (2012).
  9. ^ Mei, H. et al. Síntesis y evolución de un aptámero de ácido nucleico de treosa que contiene residuos de guanosina 7-deaza-7-sustituidos. J. Am. Chem. Soc. 140 , 5706-5713, (2018).
  10. ^ Rangel, AE, Chen, Z., Ayele, TM y Heemstra, JM Selección in vitro de un aptámero XNA capaz de reconocer moléculas pequeñas. Nucleic Acids Res. 46 , 8057-8068, (2018).
  11. ^ Pinheiro, VB et al. Polímeros genéticos sintéticos capaces de herencia y evolución. Science 336 , 341-344, (2012).
  12. ^ Chim, N., Shi, C., Sau, SP, Nikoomanzar, A. y Chaput, JC Base estructural para la síntesis de TNA mediante una polimerasa de TNA diseñada. Nat. Commun. 8 , 1810, (2017).
  13. ^ Jackson, LN, Chim, N., Shi, C. y Chaput, JC Estructuras cristalinas de una ADN polimerasa natural que funciona como una transcriptasa inversa XNA. Nucleic Acids Res. , (2019).
  14. ^ Orgel, LE Un ácido nucleico más simple. Science 290 , 1306-1307, (2000).
  15. ^ Liu, LS et al. Ácidos nucleicos alfa-l-treosa como oligonucleótidos antisentido biocompatibles para suprimir la expresión genética en células vivas. ACS Appl Mater Interfaces 10 , 9736-9743, (2018).

Lectura adicional

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