Decía el gran Carl Sagan en uno de los primeros capítulos de su serie mítica Cosmos que hay algo que nos une a todos los seres vivos que vivimos en este planeta: nuestro ADN. El ADN de un árbol, de una flor, de un tigre, de una levadura, de una bacteria es idéntico en estructura al nuestro, formado por cuatro tipos de nucleótidos asociados a cuatro bases nitrogenadas llamadas adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C), tal y como lo describieron Watson & Crick en 1953. Ya sabemos que cuando el ADN, bicatenario, se transcribe en forma de ARN, monocatenario, la T es substituida por otra base nitrogenada que ocupa su lugar, el uracilo (U). Y esta es la estructura básica de los ADN (y ARN) en todos los seres vivos y estructuras virales conocidas… hasta hace algunos años.

En 1977 unos investigadores descubrieron unos virus de cianobacterias (cyano-S2L), unos bacteriófagos, que tenían una estructura de ADN peculiar. No tenían A sino otro nucleótido alternativo, una 2-aminoadenina, abreviada como Z. Pasados los años otros tres equipos de investigadores acaban de publicar en la revista Science sus trabajos en los que detallan cómo estos virus son capaces de iniciar la síntesis del nuevo nucleótido, a partir de la enzima codificada por el gen PurZ que portan en su genoma, y aprovechando otras enzimas bacterianas. Y, por otra parte, estos investigadores describen una nueva ADN polimerasa Z, codificada también en el genoma del virus, que es capaz de discriminar entre A y Z a la hora de incorporar el nucleótido, e incorpora solamente la Z, no la A. A todos los efectos la Z se aparea con la T de la misma manera que la A se aparea también con la T. Pero con una diferencia. Esa unión es más robusta, más estable. Hay tres puentes de hidrógeno entre la Z y la T, mientras que solamente hay dos entre la A y la T. Dado que también hay tres puentes entre la G y la C el genoma ZTGC de estos bacteriófagos es mucho más estable que el de otros virus «tradicionales» con genoma ATGC.

¿Para qué podría servirle al virus este «capricho evolutivo» de substituir sus As por Zs? En primer lugar para tener genomas más estables, que resistan a mayor temperatura en forma de doble hélice, por ejemplo. Pero especialmente para defenderse de las nucleasas que usan las bacterias para atacar a los ADN extraños, como los que les inyectan los virus. Las bacterias tienen varios sistemas de defensa, los sistemas CRISPR-Cas son uno de ellos. Pero otros son, descubierto anteriormente, las enzimas de restricción, que reconocen una secuencia de ADN y la cortan. Por ejemplo una de las primeras conocidas fue la enzima de restricción EcoRI, derivada de Escherichia coli, que corta cada vez que se encuentra la secuencia de hexanucleótidos GAATTC. En estos bacteriófagos que usan Z en lugar de A esta secuencia de ADN aparecería como GZZTTC y entonces la enzima ya no podría cortar. Es por lo tanto una estrategia evolutiva muy interesante para evadir el ataque de las nucleasas bacterianas. Por otra parte, la bacteria evita cortar su propio genoma con esta enzima dado que, previamente, metila (en posición A-3) todas las secuencias GAATTC que tiene su genoma bacteriano, y así puede discriminar entre lo que es su genoma y lo que es el genoma de los virus invasores. Pero esta estrategia no funciona con estos virus Z.

No está claro si los virus desarrollaron esta nueva ruta metabólica para generar el nucleótido Z o, por el contrario, si la adquirieron de alguna arquea ancestral que podría haberla usado. No sabemos si esta singularidad es el resto de un mundo anterior dominado por ADNs que fueron ZTGC o si es una rareza que inventaron los virus aprovechando las múltiples estrategias que son capaces de explorar. Como cuento en mi libro Editando Genes (NextDoor Publishers, 2021, 3ª edición), Francis Mojica me contó que en la Tierra se estima que habría 10 elevado a 30 procariotas, bacterias y arqueas (un 1 seguido de 30 ceros, es decir, 1,000 trillones de procariotas). Pero que de virus que infectan a estos procariotas, como los bacteriófagos, hay todavía 10 veces más. Considerando ese número tan descomunal y los miles de millones de años que han tenido para explorar prácticamente cualquier posible solución evolutiva no es sorprendente que sea precisamente en los virus de las bacterias donde periódicamente descubramos nuevos mecanismos (como los sistemas CRISPR-Cas) o nuevas estructuras de ADN (como este nucleótido Z).

La estrategia de estos virus, que substituyen la A por la Z, la explico en este nuevo vídeo de la serie BIOTENTE en la que estoy divulgando conceptos básicos de genética utilizando piezas de TENTE. Para grabar este nuevo vídeo conté con la colaboración de Luisma Escudero (Universidad de Sevilla), gran investigador y apasionado del TENTE como yo, que me prestó estas piezas gris clarito y redondeadas con las que he querido representar el nuevo nucleótido Z. El nuevo vídeo, decimotercero ya de la serie BIOTENTE, dura 9 minutos, que bastan para explicar con sencillez este descubrimiento y sus implicaciones evolutivas. Espero que os guste y disfrutéis este nuevo vídeo como habéis disfrutado los anteriores.

Para leer más sobre este tema podéis revisar los artículos originales:

• Kirnos MD, Khudyakov IY, Alexandrushkina NI, Vanyushin BF. 2-aminoadenine is an adenine substituting for a base in S-2L cyanophage DNA. Nature. 1977 Nov 24;270(5635):369-70.
• MICHAEL W. GROME, FARREN J. ISAACS, ZTCG: Viruses expand the genetic alphabet. SCIENCE, 30 APR 2021 : 460-461
• Sleiman D, Garcia PS, Lagune M, Loc’h J, Haouz A, Taib N, Röthlisberger P, Gribaldo S, Marlière P, Kaminski PA. A third purine biosynthetic pathway encoded by aminoadenine-based viral DNA genomes. Science. 2021 Apr 30;372(6541):516-520.
• Zhou Y, Xu X, Wei Y, Cheng Y, Guo Y, Khudyakov I, Liu F, He P, Song Z, Li Z, Gao Y, Ang EL, Zhao H, Zhang Y, Zhao S. A widespread pathway for substitution of adenine by diaminopurine in phage genomes. Science. 2021 Apr 30;372(6541):512-516.
• Pezo V, Jaziri F, Bourguignon PY, Louis D, Jacobs-Sera D, Rozenski J, Pochet S, Herdewijn P, Hatfull GF, Kaminski PA, Marliere P. Noncanonical DNA polymerization by aminoadenine-based siphoviruses. Science. 2021 Apr 30;372(6541):520-524.

y también el estupendo artículo de divulgación escrito por Gemma Marfany (UB) para el Nacional sobre este tema.