Científicos reviven una proteína que ya no existe en la naturaleza.

Los científicos reconstruyeron una proteína ancestral bacteriana extinguida hace mucho tiempo, la sintetizaron en el laboratorio y la hicieron funcionar de nuevo. El experimento permitió literalmente mirar al pasado de la evolución molecular y rastrear cómo a partir de una enzima surgieron gradualmente dos familias de proteínas con funciones distintas. Los resultados del estudio fueron publicados en Science Advances.

No se encontró ninguna proteína conservada durante millones de años. El equipo comparó las secuencias de aminoácidos de enzimas bacterianas actuales y, mediante la reconstrucción de secuencias ancestrales, calculó cómo pudo ser su ancestro común. A continuación convirtieron la secuencia calculada en una proteína real y estudiaron experimentalmente sus propiedades.

A los científicos les interesaban dos familias relacionadas de nucleasas, es decir, enzimas que escinden moléculas formadas por componentes del material genético. diDNase procesa predominantemente dinucleótidos de ADN, compuestos por solo dos nucleótidos enlazados. La enzima emparentada nanoRNase C, o NrnC, puede actuar tanto sobre fragmentos cortos de ADN como de ARN.

Las proteínas actuales difieren no solo en la elección de las moléculas. diDNase suele actuar como un complejo de dos subunidades idénticas, mientras que NrnC forma una estructura de ocho subunidades. Los investigadores querían entender si esa especialización surgió tras un único cambio clave o si se acumuló gradualmente.

Los intentos de encontrar una única mutación determinante no dieron resultado. Cambios puntuales en las proteínas actuales o bien reducían su estabilidad o no hacían que la enzima adquiriera la función esperada. Entonces el equipo reconstruyó varios estados ancestrales hipotéticos y en la práctica obtuvo etapas intermedias del camino evolutivo.

El ancestro común reconstruido más antiguo formaba un dímero y ocupaba una posición intermedia entre las enzimas modernas en cuanto a la capacidad de reconocer ADN y ARN. Tras la separación de las ramas evolutivas, los futuros diDNase reforzaron gradualmente su especialización en ADN, mientras que la línea NrnC amplió el conjunto de sustratos adecuados y adquirió la capacidad de procesar eficazmente dinucleótidos de ambos tipos.

El análisis estructural mostró que las grandes diferencias funcionales surgieron de multitud de cambios relativamente pequeños. Reajustes progresivos en la posición de regiones individuales de la proteína modificaron la forma del sitio de unión al sustrato, la eficiencia catalítica y los contactos entre subunidades. En una de las ramas, ese proceso llegó finalmente a permitir la transición de una organización dímera a un complejo de ocho unidades.

La estructura tridimensional de la proteína reconstruida se investigó mediante cristalografía de rayos X en la fuente PETRA III del centro de investigación alemán DESY. La estructura de una de las variantes ancestrales también está disponible en la base de datos de proteínas internacional, donde el complejo se presenta como un homodímero.

Los experimentos confirman una característica importante de la evolución molecular: una nueva función de la proteína no necesariamente aparece tras una sola mutación espectacular. Cambios imperceptibles por separado pueden acumularse, interactuar entre sí y con el tiempo modificar de forma relevante tanto la arquitectura de la molécula como su función.

El trabajo también aborda un enigma biológico aún sin resolver. El papel de fragmentos extremadamente cortos de ADN de dos nucleótidos está mucho menos estudiado que las funciones de moléculas similares de ARN. Sin embargo, el ancestro común reconstruido ya prefería el ADN, y la capacidad de escindir dinucleótidos de ADN se ha conservado en los representantes modernos de ambas líneas. Los autores consideran esa persistencia como un argumento a favor de que los fragmentos cortos de ADN tienen una función biológica propia.

diDNase también está asociado a elementos genéticos móviles, y las nucleasas bacterianas en general participan en el mantenimiento del genoma y en procesos de defensa. Por eso los investigadores planean averiguar si las enzimas estudiadas pueden ayudar a las bacterias a enfrentarse a virus. Por ahora ese papel sigue siendo una hipótesis, y los autores subrayan aparte que aún falta mucho para posibles aplicaciones biomédicas.