08.12.2020 - 21:50
|
Actualització: 09.12.2020 - 11:19
La pandèmia de covid-19 ha protagonitzat el 2020 i ha tingut terribles conseqüències sanitàries, socials i econòmiques arreu del món. Afortunadament, durant aquestes últimes setmanes hem començat a veure la llum al final del túnel gràcies a la publicació dels resultats, molt positius pel que fa a seguretat i eficàcia, dels primers candidats a vaccins que van entrar a la fase 3 dels assajos clínics. Dos d’ells, els produïts per les empreses Moderna i Pfizer/BioNTech, tenen al voltant d’un 95% d’eficàcia. Tot i que encara falta mig any perquè acabi aquesta fase 3, aviat es començaran a administrar vaccins als Estats Units i a Europa.
Els dos vaccins estan basats en una molècula ben coneguda a diferents camps de recerca, però que fins ara mai havia saltat a l’opinió pública: l’ARN (abreviatura d’àcid ribonucleic). En concret, fan servir un tipus d’ARN anomenat missatger (ARNm), amb instruccions perquè determinades cèl·lules del nostre sistema immunitari produeixin la proteïna S que forma l’espícula del coronavirus SARS-CoV-2, cosa que desencadena una resposta protectora en la persona que rep el vaccí.
L’ARN és una molècula que pot degradar-se amb facilitat, principalment per l’acció de proteïnes catalítiques (o enzims) especialitzades a tallar-la. Per això, l’ARN del vaccí s’administra incloent una mitjana de deu molècules d’aquest ARNm en vesícules esfèriques protectores, formades per lípids (similars als que constitueixen les membranes cel·lulars) i de mida nanomètrica (molt menor que les nostres cèl·lules).
A diferència d’unes altres vacunes, les basades en ARN han de mantenir-se ultracongelades gairebé fins al moment de la seva administració. No obstant això, l’ARN no és una molècula que s’hagi posat de moda ara, sinó que ho ha estat des de fa molt de temps: durant els últims 3.800 milions d’anys.
L’ARN, molècula central de la vida
L’anàlisi a escala molecular de tots els éssers vius coneguts i la comparació dels seus genomes ha demostrat similituds entre ells. Amb això es va descobrir, fa més de quaranta anys, que les tres grans branques de l’arbre de la vida (bacteris, arqueobacteris i eucariotes) provenen del mateix avantpassat.
Aquesta espècie, l’últim avantpassat comú universal (LUCA), s’estima que va viure fa uns 3.700 milions d’anys, només 800 milions després que es formessin la terra i la lluna.
LUCA ja tenia les principals característiques que trobem a totes les formes de vida actual, i basava el seu funcionament en tres molècules clau: l’ADN (arxiu d’informació genètica), les proteïnes (molècules catalítiques o enzims, responsables del metabolisme, i també estructurals), i l’ARN (intermediari en el flux d’informació genètica, que es produeix en el sentit ADN → ARN → proteïnes).
L’ARN és un àcid nucleic, un polímer format per unitats o monòmers anomenats ribonucleòtids. Aquests poden ser de quatre tipus: A (adenina), C (citosina), G (guanina) i U (uracil). La seva estructura més estable és la cadena senzilla, en comptes de la doble hèlix característica de l’ADN.
No obstant això, encara que sigui una cadena senzilla, qualsevol molècula d’ARN es plega sobre si mateixa quan està en dissolució, pel fet que els seus monòmers tendeixen a reconèixer-se entre ells seguint les regles A-U, G-C i G-U. Així, l’ARN acaba formant estructures més o menys complexes, cosa que li permet de realitzar diverses funcions a les cèl·lules. De fet, el pas ARN → proteïnes està protagonitzat per diferents tipus d’ARN:
- La informació genètica, prèviament copiada (transcrita) des de l’ADN, es troba en forma d’ARNm (com el que es fa servir en aquests vaccins).
- La seva traducció a proteïnes es realitza en els ribosomes (agregats d’ARN ribosòmic, ARNr, i proteïnes).
- En aquest procés de descodificació de la informació també participen els anomenats ARN de transferència (ARNt).
A més, tot el flux d’informació genètica està regulat per unes altres molècules d’ARN.
L’ARN també constitueix el genoma de moltes “entitats replicadores” que no poden considerar-se autèntics éssers vius, però que són fonamentals per a l’evolució per la seva contínua interacció amb les cèl·lules a les quals parasiten: moltes famílies de virus (entre ells els coronavirus), i també uns patògens de plantes més senzills anomenats viroides.
Les dues cares de la moneda de la vida
Per tot això que acabem de comentar, l’ARN és molt més que una molècula intermediària en el flux d’informació genètica. De fet, pot servir tant de genotip (seqüència amb informació genètica) com de fenotip (molècula estructural i funcional). És a dir, l’ARN és tan versàtil que pot representar les dues cares de la moneda de la vida, una cosa que no està a l’abast de l’ADN (només actua com a genotip) ni de les proteïnes (únicament contribueixen al fenotip).
Un descobriment fonamental del 1982 va ser que a la biologia actual hi ha molècules d’ARN l’estructura tridimensional de les quals els permet d’actuar com a catalitzadors, tot accelerant certes reaccions bioquímiques. Abans es pensava que les funcions catalítiques només podien ser realitzades pels enzims de naturalesa proteica i, per analogia, a aquests catalitzadors d’ARN se’ls va anomenar ribozims. Els seus descobridors van rebre el premi Nobel de química el 1989.
Actualment coneixem vuit tipus de ribozims naturals diferents, i se n’han obtinguts uns altres de manera artificial mitjançant experiments d’evolució molecular in vitro. A més, als laboratoris també fan servir aquesta tecnologia per a seleccionar molècules d’ARN anomenades aptàmers, que s’uneixen als lligands desitjats amb tanta afinitat i especificitat com els anticossos als seus antígens.
Un “món d’ARN” a l’origen de la vida?
La recerca sobre l’origen de la vida, després de les idees de Charles Darwin a mitjan segle XIX i els models plantejats per Aleksandr Oparin i John Haldane a la dècada de 1920, va tenir les primeres aproximacions experimentals gràcies a Stanley Miller l’any 1953 i a Joan Oró el 1959. Amb això s’inaugurava un camp anomenat química prebiòtica, que des d’aleshores ha permès d’obtenir, a partir de compostos químics senzills, els monòmers o molècules biològiques bàsiques, com són els aminoàcids, els nucleòtids, els sucres i els lípids simples.
D’aquesta manera s’ha demostrat que a partir de la química existent a la terra primitiva, unida a les aportacions de meteorits i cometes durant la infància del nostre planeta, va poder-se formar una sopa prebiòtica (encertada metàfora que devem a Oparin) de la qual va sorgir la vida. Però des d’aquests monòmers fins a LUCA la vida va haver de recórrer un llarg camí en el qual les molècules químiques i les seves interaccions es van fer cada vegada més complexes, fins a arribar a formar sistemes que combinaven els tres components fonamentals dels éssers vius: un compartiment basat en membranes, un metabolisme per a processar la matèria i l’energia de l’entorn, i la replicació d’una molècula genètica.
Precisament en aquesta etapa intermèdia tornem a trobar l’ARN, perquè a causa de la seva capacitat per a actuar com a genotip i fenotip es creu que potser va ser anterior a les proteïnes i a l’ADN. Així, el model conegut com a “món de l’ARN” planteja que entre la química prebiòtica i LUCA van poder existir protocèl·lules basades en ARN que contenien un genoma d’ARN i ribozims com a catalitzadors metabòlics, les funcions dels quals podrien estar modulades per altres biomolècules (com ara pèptids o diversos compostos orgànics) i fins i tot pels metalls i minerals presents al medi.
El món de l’ARN permet resoldre una paradoxa equivalent a la de l’ou i la gallina, però en versió molecular. En efecte, si tornem a l’esquema del flux d’informació biològica a totes les cèl·lules (ADN → ARN → proteïnes) assumim que sense ADN no pot haver-hi proteïnes. Però alhora les proteïnes també són necessàries perquè existeixi l’ADN, perquè la replicació d’aquest àcid nucleic es fa mitjançant proteïnes enzimàtiques. Llavors, qui va aparèixer abans, l’ADN o les proteïnes? Com acabem de veure, potser cap d’aquests dos biopolímers, sinó l’ARN.
Aquesta hipòtesi encara té diversos aspectes pendents de resoldre, però molts científics consideren l’ARN com el punt de partida de l’evolució darwiniana a la terra (o potser fora).
El 2021, uns 3.800 milions d’anys després que l’ARN protagonitzés l’origen de la vida, una variant d’aquesta mateixa molècula col·laborarà decisivament a la supervivència d’una espècie animal que sempre s’ha cregut superior a les altres, però que ha estat amenaçada molt seriosament per un virus també basat en l’ARN.
Aquest article es va publicar originalment a The Conversation amb el títol: El ARN está de moda… desde hace 3.800 millones de años
