Los ácidos nucleicos xeno ( XNA ) son análogos de ácidos nucleicos sintéticos que tienen una estructura diferente de la ribosa y la desoxirribosa que se encuentran en los ácidos nucleicos del ARN y el ADN naturales . [1]
Las mismas nucleobases pueden utilizarse para almacenar información genética e interactuar con ADN, ARN u otras bases de XNA, pero la diferente estructura principal le da a la estructura una estabilidad diferente y no puede ser procesada por procesos celulares naturales. Por ejemplo, las polimerasas de ADN naturales no pueden leer y duplicar esta información, por lo que la información genética almacenada en XNA es invisible para los organismos basados en ADN. [2]
A partir de 2011 [actualizar], se ha demostrado que al menos seis tipos de azúcares sintéticos forman cadenas principales de ácidos nucleicos que pueden almacenar y recuperar información genética. Actualmente se están realizando investigaciones para crear polimerasas sintéticas para transformar el XNA. El estudio de su producción y aplicación ha creado un campo conocido como xenobiología . [ cita requerida ]
La estructura del ADN se descubrió en 1953. A principios de la década de 2000, los investigadores crearon una serie de estructuras exóticas similares al ADN, llamadas XNA. Se trata de polímeros sintéticos que pueden transportar la misma información que el ADN, pero con diferentes componentes moleculares. La "X" de XNA significa "xeno-", es decir, extraño o alienígena, lo que indica la diferencia en la estructura molecular en comparación con el ADN o el ARN. [3]
No se hizo mucho con XNA hasta el desarrollo de una enzima polimerasa especial , capaz de copiar XNA de una plantilla de ADN, así como de copiar XNA nuevamente en ADN. [3] Pinheiro et al. (2012), por ejemplo, ha demostrado una polimerasa capaz de copiar XNA que funciona en secuencias de alrededor de 100 pares de bases de longitud. [4] Más recientemente, los biólogos sintéticos Philipp Holliger y Alexander Taylor lograron crear XNAzimas, el equivalente XNA de una ribozima , enzimas hechas de ARN. Esto demuestra que los XNA no solo almacenan información hereditaria, sino que también pueden servir como enzimas, lo que plantea la posibilidad de que la vida en otro lugar podría haber comenzado con algo distinto al ARN o el ADN. [5]
Las cadenas de ADN y ARN se forman uniendo largas cadenas de moléculas llamadas nucleótidos . Un nucleótido está formado por tres componentes químicos: un fosfato , un grupo de azúcar de cinco carbonos (puede ser un azúcar desoxirribosa , que nos da la "D" del ADN, o un azúcar ribosa , la "R" del ARN) y una de las cinco bases estándar ( adenina , guanina , citosina , timina o uracilo ).
Las moléculas que se unen para formar los xenoácidos nucleicos son casi idénticas a las del ADN y el ARN, con una excepción: en los nucleótidos XNA , los grupos de azúcar desoxirribosa y ribosa del ADN y el ARN han sido reemplazados por otras estructuras químicas. Estas sustituciones hacen que los XNA sean funcional y estructuralmente análogos al ADN y el ARN a pesar de ser artificiales y no naturales.
El XNA presenta una variedad de cambios químicos estructurales en relación con sus contrapartes naturales. Los tipos de XNA sintéticos creados hasta ahora incluyen: [2]
El HNA podría utilizarse potencialmente como un fármaco capaz de reconocer y unirse a secuencias específicas. Los científicos han podido aislar HNA para la posible unión de secuencias dirigidas al VIH. [6] La investigación también ha demostrado que los CeNA con estereoquímica similar a la forma D [ aclaración necesaria ] [ ¿forma dextro de qué? ] pueden crear dúplex estables consigo mismos y con el ARN. Se ha demostrado que los CeNA no son tan estables cuando forman dúplex con el ADN. [7]
El estudio de los XNA no pretende proporcionar a los científicos una mejor comprensión de la evolución biológica tal como ha ocurrido históricamente, sino más bien explorar formas en las que podríamos controlar e incluso reprogramar la composición genética de los organismos biológicos en el futuro. Los XNA han demostrado un potencial significativo para resolver el problema actual de la contaminación genética en los organismos modificados genéticamente . [8] Si bien el ADN es increíblemente eficiente en su capacidad para almacenar información genética y brindar diversidad biológica compleja, su alfabeto genético de cuatro letras es relativamente limitado. El uso de un código genético de seis XNA en lugar de las cuatro bases de nucleótidos del ADN que se encuentran de forma natural ofrece infinitas oportunidades para la modificación genética y la expansión de la funcionalidad química. [9]
El desarrollo de diversas hipótesis y teorías sobre los XNA ha alterado un factor clave en nuestra comprensión actual de los ácidos nucleicos: la herencia y la evolución no se limitan al ADN y al ARN como se pensaba, sino que son simplemente procesos que se han desarrollado a partir de polímeros capaces de almacenar información. [4] Las investigaciones sobre los XNA permitirán a los investigadores evaluar si el ADN y el ARN son los bloques de construcción más eficientes y deseables de la vida, o si estas dos moléculas surgieron al azar después de evolucionar a partir de una clase más grande de ancestros químicos. [10]
Una teoría sobre el uso de XNA es su incorporación a la medicina como agente para combatir enfermedades. Algunas enzimas y anticuerpos que se administran actualmente para el tratamiento de diversas enfermedades se descomponen demasiado rápido en el estómago o el torrente sanguíneo. Debido a que XNA es un compuesto extraño y se cree que los humanos aún no han desarrollado las enzimas necesarias para descomponerlo, los XNA pueden servir como una contraparte más duradera de las metodologías de tratamiento basadas en ADN y ARN que se utilizan actualmente. [11]
Los experimentos con XNA ya han permitido la sustitución y ampliación de este alfabeto genético, y los XNA han demostrado complementariedad con los nucleótidos de ADN y ARN, lo que sugiere potencial para su transcripción y recombinación. Un experimento realizado en la Universidad de Florida condujo a la producción de un aptámero de XNA mediante el método AEGIS-SELEX (sistema de información genética expandido artificialmente - evolución sistemática de ligandos por enriquecimiento exponencial), seguido de una unión exitosa a una línea de células de cáncer de mama . [12] Además, los experimentos en la bacteria modelo E. coli han demostrado la capacidad de XNA para servir como plantilla biológica para ADN in vivo . [13]
Para avanzar en la investigación genética sobre los XNA, deben tenerse en cuenta varias cuestiones relacionadas con la bioseguridad , la bioprotección , la ética y la gobernanza/regulación. [2] Una de las preguntas clave aquí es si el XNA en un entorno in vivo se mezclaría con el ADN y el ARN en su entorno natural, lo que dejaría a los científicos incapaces de controlar o predecir sus implicaciones en la mutación genética . [11]
El XNA también tiene aplicaciones potenciales como catalizador , de forma similar a como el ARN puede utilizarse como enzima . Los investigadores han demostrado que el XNA es capaz de escindir y ligar ADN, ARN y otras secuencias de XNA, siendo la mayor actividad la que se produce en las reacciones catalizadas por XNA en las moléculas de XNA. Esta investigación puede utilizarse para determinar si el papel del ADN y el ARN en la vida surgió a través de procesos de selección natural o si fue simplemente una coincidencia. [14]
El XNA puede emplearse como pinzas moleculares en reacciones en cadena de la polimerasa cuantitativas en tiempo real (qPCR) mediante la hibridación con secuencias de ADN diana. [15] En un estudio publicado en PLOS ONE , un ensayo de pinzamiento molecular mediado por XNA detectó ADN mutante libre de células (cfDNA) de lesiones precancerosas de cáncer colorrectal (CRC) y cáncer colorrectal. [15] El XNA también puede actuar como sondas moleculares altamente específicas para la detección de la secuencia diana de ácido nucleico. [16]
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