Dos hebras son más duras que una

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El ARN mensajero, o ARNm, ha aparecido recientemente en las noticias como un componente crucial de las vacunas Pfizer-BioNTech y Moderna COVID-19. El ácido nucleico se ve, a todos los efectos, como una hebra de ADN que ha sido cortada durante mucho tiempo. Es lo que se conoce como ARN monocatenario (ssRNA) y se puede encontrar en todo el mundo natural.

Menos común en la naturaleza es el ARN de doble hebra (dsRNA), que tiene dos hebras y se asemeja a la bien conocida doble hélice de ADN. Se encuentra en algunos virus, pero durante las últimas décadas, la gente ha desarrollado dsRNA sintético para una variedad de propósitos.

A pesar de nuestra creciente familiaridad con sus aplicaciones potenciales, los investigadores sabían poco sobre una característica clave del dsRNA, a saber, cómo degrada el dsRNA, una cuestión particularmente importante ya que una de sus aplicaciones más prometedoras es en la agricultura como tipo de pesticida.

La investigación del laboratorio de Kimberly Parker, profesora asistente de ingeniería energética, ambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, ha anulado suposiciones comunes sobre la estabilidad química del dsRNA que podrían resultar útiles para campos desde ‘agricultura hasta medicamento. Los hallazgos del laboratorio pueden incluso tener implicaciones para nuestra comprensión de los orígenes de la vida. Los hallazgos fueron publicados este verano en la revista Ciencias y tecnologías ambientales.

«Básicamente, estamos desafiando la suposición generalizada de que lo que sabemos sobre el comportamiento del ssRNA predice el comportamiento del dsRNA», dijo Parker.

«El conocimiento general es que el ARN es menos estable que el ADN», dijo Parker. Esto se debe a que la estructura del ARN tiene algunos átomos adicionales que hacen que el ácido nucleico se degrade por sí solo en trozos más pequeños.

Pero esta es la comparación entre ssRNA y DNA. ¿Qué pasa con la diferencia entre ssRNA y dsRNA?

Parker y el primer autor Ke Zhang, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Parker, se propusieron investigar la degradación del dsRNA. El equipo descubrió que, aunque el dsRNA tiene la misma estructura básica que el ssRNA, era sustancialmente más estable químicamente que el ssRNA. Incluso en condiciones de pH alcalino extremadamente duras que provocaron que el ARN ss se descompusiera en cuestión de minutos, el dsRNA persistió.

Es una ciencia fundamental, pero también tiene consecuencias reales.

Aunque se sabía poco sobre los procesos que descomponen el dsRNA, ha sido tratado como si se comportara de la misma manera que el assRNA no solo por los investigadores, sino también por instituciones como la Agencia de Protección Ambiental, que regula el uso de pesticidas.

Recientemente, el dsRNA se ha convertido en un tema candente en el mundo de los pesticidas. Los primeros cultivos genéticamente modificados para contener un plaguicida de ARNdc podrían plantarse ya en 2022.

«Cuando observamos el destino ambiental de los pesticidas de ARNdc, una pregunta clave es: ‘¿Se mantendrán o se degradarán rápidamente estas cosas?'», Dijo Parker.

Si los procesos químicos que actúan sobre el dsRNA hacen que la estructura se descomponga rápidamente, «puede considerarse potencialmente segura y no tiene que preocuparse tanto por eso», dijo Parker. «Pero si necesita condiciones más específicas para su descomposición, por ejemplo, enzimas particulares, esto cambia la forma en que tiene que pensar sobre su seguridad y el riesgo potencial para el medio ambiente. No se puede confiar únicamente en la inestabilidad química para limitar la persistencia».

Los investigadores también investigaron cómo aprovechar la asombrosa estabilidad química del dsRNA para siempre. Aunque el dsRNA es químicamente estable, aún puede ser degradado por enzimas que se encuentran en todas partes del medio ambiente e incluso en nuestros cuerpos. Esto puede dificultar el almacenamiento de pesticidas y productos de dsRNA, así como también dificultar la medición precisa de los niveles de dsRNA porque el dsRNA puede degradarse después de que se recolecta la muestra pero antes de analizarla.

Para ver si la estabilidad química única del dsRNA podría usarse para estabilizar el dsRNA en las muestras, Zhang observó cómo el ssRNA y el dsRNA se descomponen en la saliva humana y el suelo, cada uno de los cuales tiene enzimas que trabajan para descomponer ambos tipos de ARN.

«De cualquier manera, ambos tipos de ARN fueron rápidamente degradados por enzimas en la saliva humana y el suelo», dijo Zhang. Pero cuando el pH se llevó a un estado alcalino, lo que habría destruido las enzimas, «las cosas fueron diferentes; observamos que el ssRNA también se degradaba rápidamente por las condiciones alcalinas. Sin embargo, el dsRNA era en realidad más estable a un pH más bajo. alto».

El hallazgo sugiere que el dsRNA, usado en pesticidas, para uso médico o para investigación, debe almacenarse en un ambiente de pH alto para impartir una capa adicional de protección.

«Supongamos que trabaja con dsRNA», dijo Parker. ¿Quizás estornudas? «No tiene que preocuparse por contaminar sus muestras con saliva. Puede aumentar el pH de sus muestras de dsRNA, detener la degradación enzimática, pero también evitar el proceso de degradación química».

El potencial para poner en práctica este conocimiento se extiende mucho más allá de los pesticidas.

Hay muchos virus que llevan su información genética en ARN en lugar de en ADN; algunos de ellos utilizan dsRNA. «Me interesa cómo nuestro trabajo nos permite saber cómo se pueden matar los virus en diferentes condiciones», dijo. O si el ARNdc viral de las aguas residuales podría conservarse mejor a pH más altos para ayudar a rastrear y predecir la propagación de enfermedades.

Y hay otra área, algo diferente a otras, donde una mejor comprensión del dsRNA podría ser útil: desentrañar los misterios del origen de la vida en la Tierra. Es solo una conjetura, pero es algo que llamó la atención de Zhang.

Existe una teoría de larga data de que la vida en la Tierra comenzó en los respiraderos hidrotermales cuando moléculas más pequeñas se unieron para formar ARN. Sin embargo, esa teoría tiene un defecto fatal: las condiciones en estos conductos de ventilación habrían sido alcalinas.

«Algunos científicos piensan que no es posible porque el ARN se degradaría en tales condiciones», dijo Zhang. «Pero descubrimos que esto solo es cierto para el ssRNA. Si consideramos el dsRNA, a pH alcalino, puede mantener su estabilidad química».

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