Cuál es el secreto de supervivencia de los organismos que habitan ambientes con temperaturas superiores a los 100 grados Infobae

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

“Adaptarse o perecer, ahora como siempre, es el imperativo inexorable de la naturaleza”, escribió HG Wells. Este principio —que la supervivencia requiere cambio— fue dominado hace miles de millones de años por organismos unicelulares que vivían en condiciones de calor extremo.

En las últimas décadas, los estudios de los mecanismos adaptativos de estos organismos han dado lugar a tecnologías revolucionarias, desde la replicación rápida del ADN (PCR) y la producción de proteínas resistentes al calor hasta la generación de combustibles y sustancias químicas.

Los más notables de estos organismos son los hipertermófilos, que habitan en cráteres volcánicos, respiraderos hidrotermales y aguas termales, entornos donde las temperaturas superan los 80 grados Celsius.

Un nuevo método desarrollado por investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias revela cómo los hipertermófilos modifican las moléculas de ARN en el núcleo de su ribosoma, la fábrica de producción de proteínas de la célula, para sobrevivir en entornos extremadamente cálidos.

Los hallazgos del laboratorio del profesor Schraga Schwartz, publicados recientemente en Cell, desafían la suposición de que los procesos vitales fundamentales son uniformes en todas las especies y a lo largo de la vida. Estos hallazgos pueden conducir a mejores tecnologías médicas e industriales basadas en ARN y arrojar luz sobre un misterio de larga data en el desarrollo de fármacos.

El ribosoma es una de las estructuras biológicas más antiguas y básicas, compartida por los tres dominios de la vida: arqueas, bacterias y eucariotas. A finales de la década de 1950, los investigadores descubrieron que las moléculas de ARN ribosómico sufren una “edición química” (modificación) tras su producción en la célula. Sin embargo, debido a la dificultad de medir estos cambios, no se sabía con certeza cuánto variaban entre especies o en respuesta a las condiciones ambientales.

Hasta hace poco, se asumía, principalmente a partir de investigaciones en levaduras y humanos, que la modificación del ARN en el ribosoma era uniforme en todos los miembros de una especie determinada y no cambiaba con el entorno —explica Schwartz, del Departamento de Genética Molecular de Weizmann—. Sin embargo, en los últimos años, ha surgido evidencia en algunas especies que sugiere que la modificación a veces puede ser dinámica, permitiendo que la estructura ribosomal se adapte al entorno.

Aun así, confirmar esto a gran escala era difícil debido a la gran cantidad de tipos de modificación, la dificultad de identificarlos y las limitaciones de los métodos existentes, que normalmente permitían a los investigadores examinar solo un tipo de modificación por muestra y solo una muestra a la vez.

El nuevo sistema, desarrollado en el laboratorio de Schwartz bajo la dirección del doctor Miguel A. García-Campos, permite a los científicos examinar 16 tipos de modificación en docenas de muestras de ARN, lo que representa un gran avance en la investigación sobre la edición de ARN.

Mediante este sistema, los investigadores mapearon patrones de modificación en 10 organismos unicelulares y los compararon con cuatro especies estudiadas previamente. Priorizaron deliberadamente a los extremófilos (organismos que prosperan en diversos entornos hostiles), incluyendo tres hipertermófilos, con la hipótesis de que los mecanismos de adaptación ambiental ribosomal eran más probables en estos organismos.

“Mientras que la mayoría de las bacterias y arqueas se las arreglan con solo unas pocas docenas de modificaciones del ARN ribosómico, encontramos cientos en especies hipertermófilas”, señala Schwartz. “De hecho, observamos que cuanto más cálido es el entorno natural de un organismo, más modificaciones sufre su ribosoma”.

Tras observar las diferencias entre especies de distintos entornos, los investigadores se preguntaron si una especie podía reeditar su ARN ribosómico (alterando así la estructura de su ribosoma) en respuesta a cambios ambientales a lo largo de su vida. Para comprobarlo, cultivaron cada especie en tres a cinco condiciones diferentes.

En el caso de los mesófilos, microorganismos que prosperan a temperaturas moderadas, la mayoría de las modificaciones fueron permanentes y no variaron con el entorno. Por el contrario, casi la mitad de las modificaciones en los hipertermófilos fueron dinámicas, ocurriendo en más sitios de las moléculas de ARN a medida que aumentaba la temperatura. Los investigadores concluyeron que los cambios en la estructura ribosómica no solo son posibles, sino que constituyen un importante mecanismo adaptativo.

En concreto, se observó que tres tipos de modificaciones se volvían sistemáticamente más frecuentes a medida que aumentaba la temperatura. “Un hallazgo particularmente sorprendente fue que una de estas modificaciones —la adición de un grupo metilo, o metilación— casi siempre aparecía en especies hipertermófilas junto con otra modificación: la adición de un grupo acetilo, o acetilación", afirma Schwartz.

“Esto sugería que ambas actúan en sinergia. Colaboramos con el grupo del profesor Sebastian Glatt, de la Universidad Jagellónica de Cracovia, para evaluar la estabilidad de las moléculas de ARN sin ninguna adición, con una u otra, y con ambas. Tanto la metilación como la acetilación tuvieron un efecto estabilizador sobre el ARN, pero al combinarse, el efecto fue mayor que la suma de sus partes".

Lo que no quedó claro fue cómo esta edición química cambia la estructura del ribosoma. Para averiguarlo, los investigadores unieron fuerzas con el equipo del profesor Moran Shalev-Benami en el Departamento de Biología Química y Estructural de Weizmann, que utilizó microscopía crioelectrónica para mapear el ribosoma de una arqueona hipertermófila.

Mapearon la estructura en dos estados: cuando la enzima responsable de la metilación a altas temperaturas estaba activa y cuando estaba silenciada. Se encontró que los grupos metilo añadidos a altas temperaturas se distribuían por todo el ribosoma, formando enlaces débiles con las moléculas circundantes que, en conjunto, fortalecían la estructura general. Asimismo, las regiones donde se produjo la edición contenían menos huecos, lo que efectivamente “tapaba agujeros” en el ribosoma.

Estos hallazgos revelan un mecanismo sofisticado en el que cambios químicos sutiles en las moléculas de ARN pueden mejorar notablemente la estabilidad del ribosoma, permitiéndole funcionar en entornos cambiantes. También podrían ayudar a explicar el fenómeno conocido como “metilo mágico”, un aumento inexplicable de más de cien veces en la potencia de algunos fármacos tras la adición de un grupo metilo.

“Ahora parece probable que al menos algunas modificaciones a lo largo de una molécula de ARN, como la metilación y la acetilación, no actúen de forma independiente y deban descifrarse como un código combinatorio”, afirma Schwartz. “Nuestro estudio del ARN ribosómico ayuda a esclarecer la interacción entre las diferentes modificaciones, y el método que desarrollamos podría acelerar y ampliar el estudio de muchos tipos de modificaciones y nuevas especies”.

“Actualmente existen numerosas tecnologías basadas en ARN en el mercado o en desarrollo, desde vacunas contra pandemias y diagnósticos y terapias contra el cáncer hasta herramientas de edición genética utilizadas en biotecnología y medicina”, añade.

“El proceso natural de edición de ARN se ha perfeccionado durante miles de millones de años, y descubrir sus secretos podría allanar el camino hacia tecnologías basadas en ARN más fiables y eficientes”.

También participaron en el estudio Joe Georgeson, el Dr. Ronit Nir, el Dr. Vinithra Iyer y el Dr. Anatoly Kustanovich del Departamento de Genética Molecular de Weizmann; el Dr. Robert Reichelt, el Dr. Felix Grünberger, Nicolas Alexandre, el Prof. Sébastien Ferreira-Cerca y la Prof. Dina Grohmann de la Universidad de Regensburg, Alemania; la Dra. Kristin A. Fluke, el Prof. Brett W. Burkhart y el Prof. Thomas J. Santangelo de la Universidad Estatal de Colorado, Fort Collins, Colorado; la Dra. Donna Matzov del Departamento de Biología Química y Estructural de Weizmann; la Dra. Lauren Lui del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, California; la Dra. Supuni Thalalla-Gamage, la Dra. Shereen A. Howpay-Manage y el Dr. Jordan L. Meier del Instituto Nacional del Cáncer, Frederick, Maryland; el Dr. Milan Gerovac y el Prof. Jörg Vogel de la Universidad de Würzburg, Alemania; Dr. Yuko Nobe y Prof. Masato Taoka de la Universidad Metropolitana de Tokio, Japón; Jakub S. Nowak de la Universidad Jagellónica, Cracovia, Polonia; Manoj Perera, Alexander Apostle y el Dr. Shiyue Fang de la Universidad Tecnológica de Michigan, Houghton, Michigan; el Dr. Ghil Jona del Departamento de Instalaciones Centrales de Ciencias Biológicas de Weizmann; y el Prof. Eric Westhof del Instituto de Biología Molecular y Celular de Estrasburgo, Francia.

Las investigaciones del profesor Schraga Schwartz cuentan con el apoyo del Centro Terapéutico de ARN Abisch-Frenkel y del Centro Oncológico Integrado Moross.