Il DNA ha quattro basi. Alcuni virus si scambiano in un quinto

Ma la sorpresa più grande è stata che i virus avevano un enzima polimerasi dedicato all’accoppiamento delle basi Z con le T durante la replicazione del DNA. “Era come una favola”, ha detto Marlière, che sperava di trovare una tale polimerasi. “I nostri sogni più sfrenati si sono avverati”.

Questo perché mentre gli scienziati hanno scoperto altri esempi di batteriofagi che producono sostituzioni nucleotidiche, questa “è la prima polimerasi che ha davvero dimostrato di escludere selettivamente un nucleotide canonico”, ha detto Peter Weigele, un ricercatore del New England Biolabs che studia la biosintesi di basi non canoniche. Il sistema si è evoluto per consentire “una riprogrammazione”, ha detto Romesberg, che potrebbe potenzialmente fornire nuove informazioni su come funzionano le polimerasi e su come ingegnerizzarle.

Z e altre basi di DNA modificato sembrano essersi evolute per aiutare i virus a eludere le difese con cui i batteri degradano il materiale genetico estraneo. L’eterna corsa agli armamenti tra i batteriofagi e le loro cellule ospiti probabilmente fornisce una pressione selettiva sufficiente per influenzare qualcosa di apparentemente “sacrosanto” come il DNA, secondo Romesberg. “In questo momento, tutti pensano che le modifiche stiano solo proteggendo il DNA”, ha detto. “La gente quasi lo banalizza”.

Ma qualcosa di più potrebbe essere all’opera: il triplo legame di Z, per esempio, potrebbe aumentare la stabilità e la rigidità del DNA e forse influenzare alcune delle sue altre proprietà fisiche. Questi cambiamenti potrebbero portare vantaggi oltre a nascondersi dalle difese batteriche e potrebbero rendere tali modifiche più ampiamente significative.

Dopotutto, nessuno sa davvero quanti virus potrebbero aver giocato con il loro DNA in questo modo. “Standard [genome sequencing] i metodi per cercare la diversità biologica in natura non riuscirebbero a trovarli”, ha detto Steven Benner, un chimico della Foundation for Applied Molecular Evolution in Florida che ha sintetizzato diverse coppie di basi artificiali, “perché stiamo cercando in un modo che presuppone una biochimica comune che non è presente”.

Questi tipi di sostituzioni trascurate potrebbero persino presentarsi in più di un virus. “Forse ci siamo persi un po’ di tutto questo nel mondo dei batteri, giusto?” disse Chuan He, un biologo chimico presso l’Università di Chicago.

La biologia sintetica ha (ancora una volta) dimostrato che ciò è possibile. Da anni il team di Marlière si evolve E. coli che utilizzano una base modificata invece dei nucleotidi T. Huimin Zhao, un chimico dell’Università dell’Illinois, Urbana-Champaign e leader di alcuni dei recenti lavori sul genoma Z, sta cercando di ottenere E. coli e potenzialmente altre cellule per incorporare Z come fanno i virus.

Romesberg pensa che questi risultati potrebbero sollevare interrogativi sulle modifiche del DNA batterico che si pensava fossero epigenetiche, cioè modifiche apportate ai nucleotidi dopo che il DNA era stato sintetizzato, di solito per influenzare l’espressione genica. La sostituzione Z, ha detto, “mostra che le cose che potresti aver pensato fossero epigenetiche potrebbero non esserlo”.

“Penso che le persone debbano guardare sotto le rocce che si pensava fossero comprese”, ha aggiunto. “Ecco da dove vengono le sorprese.”

Ma c’è anche molto spazio per le sorprese in luoghi meno studiati, perché “non possiamo coltivare la maggior parte dei microbi della Terra”, ha detto Carol Cleland, filosofo della scienza presso l’Università del Colorado, Boulder. “Ci sono altre cose là fuori che non siamo in grado di riconoscere?”

Marlière si chiede, ad esempio, se gli scienziati potrebbero un giorno imbattersi in più di un tipo di modificazione di base in un singolo genoma. O forse troveranno un cambiamento nella spina dorsale molecolare del DNA, nel qual caso “non sarebbe più DNA”, ha detto. “Sarebbe qualcos’altro”.

Dobbiamo “smettere di dare per scontati i componenti della biologia molecolare come li conosciamo”, ha detto Freeland. “Semplicemente perché la nostra strumentazione è migliorata e abbiamo guardato più a fondo, tutto ciò che pensavamo fosse standard e universale sta semplicemente scomparendo”.

Storia originale ristampato con il permesso di Rivista Quanta, una pubblicazione editorialmente indipendente del Fondazione Simons la cui missione è migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi della ricerca e le tendenze nella matematica e nelle scienze fisiche e della vita.

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