Cryo-EM of a nucleotide-polymerizing ribozyme enables its predictive improvement

Immaginate un tempo prima dei computer, prima del DNA e persino prima della prima cellula. Gli scienziati hanno un'idea folle chiamata "Mondo a RNA", che suggerisce che la vita sia iniziata con una singola, magica molecola: l'RNA. A differenza del DNA nel vostro corpo, che è per lo più un bibliotecario passivo che conserva istruzioni, questo antico RNA era un supereroe multitasking. Poteva non solo conservare informazioni, ma anche agire come una minuscola macchina, o "ribozima", per costruire copie di se stesso usando pezzi sciolti chiamati nucleotidi. Se riuscissimo a creare in laboratorio un ribozima capace di copiare davvero se stesso, sarebbe un enorme indizio su come sia nata la vita. La grande sfida? Gli scienziati cercano di costruire queste macchine autocopiatrici da anni, ma hanno lavorato bendati. Hanno evoluto queste molecole attraverso tentativi ed errori, ma senza un'immagine 3D di ciò che sono realmente, è come cercare di riparare un orologio complesso senza mai vedere gli ingranaggi all'interno.

Questo è esattamente il puzzle che un team di ricercatori ha affrontato in un nuovo studio. Si sono concentrati su un ribozima specifico e super avanzato chiamato tC19Z, progettato per agire come una polimerasi — una macchina che infila insieme i nucleotidi per creare nuovo RNA. Per molto tempo, gli scienziati sapevano che questa macchina funzionava, ma non sapevano come funzionasse perché non potevano vederne la forma. In questo articolo, il team ha utilizzato una fotocamera ad alta tecnologia chiamata criomicroscopia elettronica (cryo-EM) per scattare una foto 3D straordinariamente nitida del ribozima a una risoluzione di 3,1 [Å]. Questa immagine ha rivelato l'architettura segreta della macchina. Hanno scoperto che il ribozima è in realtà un astuto mostro di Frankenstein: è un vecchio "ligasi" (un enzima simile a una colla) che è stato aggiornato con un dominio accessorio nuovissimo fatto di sequenze casuali. Questa nuova parte agisce come un braccio di supporto, stringendo la vecchia macchina attraverso una stretta di mano tra loop e loop, una cucitura di ioni magnesio e una pila di sei basi. Ricostruisce persino la "presa" della macchina per tenere le sue parti usando ingredienti completamente diversi rispetto all'originale.

Tuttavia, la scoperta più eccitante è un intoppo nascosto nel design. I ricercatori hanno individuato una "stretta di mano fantasma" — un accoppiamento tra due parti del ribozima che avviene anche prima che inizi a lavorare. Questa stretta di mano afferra l'estremità 5' della molecola, che invece dovrebbe essere libera di afferrare il templato di cui ha bisogno per la copia. È come un operaio edile che accidentalmente si allaccia le scarpe tra loro prima di poter prendere i suoi attrezzi; la macchina è pronta a lavorare, ma è intrappolata nei propri nodi. L'articolo suggerisce che questo nodo accidentale stia rallentando la macchina. Per provarlo, gli scienziati hanno giocato a "sedie musicali" con il codice genetico, introducendo mutazioni specifiche sia al ribozima che al suo templato per rompere questa stretta di mano indesiderata. Il risultato? La macchina ha iniziato a lavorare più velocemente. Sebbene questo non significhi che abbiamo ancora una forma di vita completamente autoricplicante, questi risultati suggeriscono che, se riusciremo ad accelerare il processo di comprensione di queste strutture 3D, potremmo essere in grado di progettare queste macchine molecolari affinché si copino se stesse in modo molto più efficiente, avvicinandoci di un passo alla comprensione della primissima scintilla della vita.