L’enzima batterico DRT3 sintetizza DNA da una proteina: la scoperta sfida il dogma centrale della biologia

Un team di ricercatori della Stanford University guidato da Alex Gao ha infatti scoperto un'eccezione al dogma centrale della biologia: DRT3, un enzima che i batteri usano per difendersi dai virus, è in grado di sintetizzare DNA partendo da una struttura proteica usata come stampo. Il "principio" formulato da Francis Crick nel 1957, descrive il flusso della vita in una sola, rigida direzione: dal DNA all'RNA, e dall'RNA alle proteine. Pur conoscendo l'eccezione della trascrittasi inversa, in grado di sintetizzare DNA partendo dall'RNA, la conversione a ritroso dalle proteine al DNA non era mai stata documentata. Lo studio, pubblicato su Science, descrive questo percorso alternativo inedito, anche se l'autore stesso invita alla cautela: la porzione dell'enzima coinvolta, Drt3b, produce soltanto una singola sequenza ripetitiva (ACACAC…). Non rappresenta quindi un meccanismo generale che consente alle proteine di "riscrivere" il codice genetico a piacimento, ma è sufficiente a dimostrare che la biologia ha ancora molte strade nascoste.

L'enzima DRT3 che ha rotto le regole della biologia: la ricerca dello Stanford University

I batteri vivono in un stato di guerra con i batteriofagi, specifici virus in grado di infettare solo loro. Per sopravvivere, nel corso dell'evoluzione hanno sviluppato diversi sistemi di difesa tra cui quello delle trascrittasi inverse associate alla difesa, abbreviate in DRT. Si tratta di enzimi che i batteri impiegano per bloccare l'infezione virale.

Il team di Stanford, guidato dal biochimico Alex Gao, ha deciso di studiare nel dettaglio uno di questi sistemi, il DRT3 in Escherichia coli. Composto da tre elementi, due proteine chiamate Drt3a e Drt3b, più un frammento di RNA non codificante, questo complesso produce un doppio filamento formato da GTGTGT… ripetuto molte volte legato al suo complementare, ACACAC. Come esattamente il DNA prodotto da Drt3b aiuti il batterio a respingere i fagi non è ancora del tutto chiaro.

Come funziona la sintesi del DNA con DRT3: la proteina che fa da stampo

La porzione Drt3a si occupa di produrre la sequenza poli-GC partendo dallo stampo a RNA presente nel complesso. La vera particolarità risiede però nella porzione Drt3b: pur essendo una DNA polimerasi (l'enzima addetto alla sintesi del DNA), a differenza di tutte quelle conosciute finora non ha bisogno di un template di acido nucleico per funzionare. Per costruire la sua catena, infatti, non legge alcuna sequenza preesistente di DNA o RNA ma usa la forma della proteina stessa data dagli aminoacidi come stampo per determinare quale sequenza di DNA viene prodotta.

Come ha spiegato lo stesso Gao, "la proteina funge da progetto per la sequenza del DNA". Il risultato è un flusso di informazione che va dalla proteina al DNA, esattamente l'inverso di quanto previsto dal dogma centrale.

È importante però non sopravvalutare questo meccanismo. Drt3b produce solo una sequenza ripetitiva specifica e fissa (poli-AC). Non si tratta di un meccanismo generale per cui qualsiasi proteina possa "scrivere" codice genetico arbitrario. Ma il principio che dimostra l'esistenza di un modo per produrre DNA senza stampo rimane rivoluzionario.

Perché questa scoperta è importante

Dal punto di vista teorico, la scoperta non demolisce il dogma centrale della biologia molecolare, ma per ora lo arricchisce con un'eccezione inattesa. Dimostra che la vita, nel corso dell'evoluzione, ha trovato almeno una scorciatoia per costruire DNA senza partire da DNA.

Anche CRISPR-Cas9, la tecnologia di edting genetico che permette di modificare in modo preciso il DNA, nacque come sistema di difesa batterico contro i fagi. I batteri lo usavano da milioni di anni prima che i ricercatori capissero come funzionava e lo adattassero per modificare il genoma di qualsiasi organismo, dall'uomo alle piante. Oggi è considerato uno degli strumenti scientifici più potenti mai sviluppati.

È naturale chiedersi se DRT3 possa percorrere lo stesso cammino. In teoria, un enzima capace di produrre DNA senza template e con una sequenza dettata dalla propria struttura potrebbe diventare un mattone prezioso per la biologia sintetica. In pratica, la strada è ancora lunga, Drt3b per ora produce solo quella sua sequenza fissa e non è chiaro se e come potrebbe essere riprogrammato.

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