Come piccole modifiche possono potenziare l’RNA

La funzione di una molecola non dipende soltanto dalla sua composizione, ma anche dalla forma che riesce ad assumere e dalla sua flessibilità. Nel caso dell’RNA, piccole modifiche chimiche possono influenzare questo equilibrio e avere effetti importanti sulla sua attività.

È quello che accade a MTR1, un tipo di RNA la cui attività può aumentare fino a quindici volte grazie a due piccole modifiche chimiche. Un effetto già noto, ma di cui finora non era stato compreso nel dettaglio il meccanismo.

Capire perché ciò avvenga significa osservare da vicino e constatare una caratteristica fondamentale dell’RNA: il rapporto strettissimo tra struttura, flessibilità e funzione. Questa comprensione può offrire indicazioni sia per progettare catalizzatori a RNA più efficienti sia per capire meglio quale ruolo queste molecole potrebbero aver avuto nelle prime fasi dell’evoluzione della vita.

Quando l’RNA diventa un catalizzatore

Siamo abituati a pensare all’RNA soprattutto per il suo ruolo nell’espressione dell’informazione genetica. Le sue funzioni, però, sono molto più ampie. Alcune molecole di RNA, chiamate ribozimi, sono infatti capaci di catalizzare reazioni chimiche, svolgendo una funzione analoga a quella degli enzimi, i più noti catalizzatori biologici.

I ribozimi presenti in natura catalizzano un insieme relativamente limitato, sebbene fondamentale, di reazioni. Tuttavia, in laboratorio, attraverso tecniche di selezione e progettazione, è però possibile sviluppare ribozimi artificiali capaci di promuovere trasformazioni chimiche diverse. Tra questi vi è MTR1, un ribozima metiltransferasi artificiale in grado di modificare l’RNA in un punto specifico, trasferendo un gruppo metile a una base nucleotidica chiamata adenosina.

Progettare ribozimi artificiali efficienti rimane tuttavia una sfida. Per farlo non basta sapere quali componenti prendano parte alla reazione: occorre capire anche come la struttura tridimensionale della molecola e i suoi movimenti contribuiscano ne modulino l’attività catalitica.

Due piccole modifiche, un effetto molto grande

MTR1 offre un caso particolarmente interessante per studiare questo rapporto. Studi precedenti avevano mostrato che l’introduzione di due gruppi 2’-O-metile sugli zuccheri di due nucleotidi che delimitano il sito attivo del ribozima, cioè la regione in cui avviene la reazione chimica, aumenta la velocità della reazione di circa quindici volte.

L’aggiunta di gruppi metile è una modifica chimica molto piccole. Un gruppo metile è infatti costituito da un atomo di carbonio legato a tre atomi di idrogeno. Eppure, l’introduzione di questi due gruppi in posizioni precise di MTR1 produce un effetto molto rilevante sulla sua attività catalitica.

Sapevamo che queste modifiche funzionavano, ma non perché: la risposta era nei movimenti dell’RNA.

Per comprendere l’effetto di tali piccole modifiche, infatti, abbiamo studiato la reazione catalizzata da MTR1 su scala atomistica, combinando simulazioni di dinamica molecolare classica e metodi quantistico-classici con informazioni strutturali sperimentali. Questo approccio ci ha permesso di osservare sul computer, come una sorta di microscopio computazionale, il comportamento di MTR1 durante la sua attività, seguendo il movimento dei singoli atomi e visualizzando direttamente gli effetti indotti dall’introduzione dei due gruppi metile.

Le simulazioni hanno mostrato che questi gruppi non intervengono direttamente nella reazione chimica. Il loro effetto riguarda invece il modo in cui il ribozima si muove e mantiene la propria struttura tridimensionale.

L’RNA, infatti, non è una struttura rigida e immobile. È una molecola dinamica, le cui diverse parti possono muoversi e assumere configurazioni differenti. Questa flessibilità è importante per la funzione della molecola ma, quando deve avvenire una specifica reazione chimica, alcune configurazioni risultano più favorevoli di altre. Nel caso di MTR1, le due modifiche riducono la flessibilità del sito attivo, rendendolo più rigido. Gli atomi coinvolti nella catalisi riescono così a mantenere più facilmente la disposizione necessaria affinché la reazione possa avvenire.

Le simulazioni mostrano inoltre che questa maggiore organizzazione del sito attivo riduce la barriera energetica dello stadio cineticamente determinante della reazione, cioè del passaggio più lento che ne controlla la velocità complessiva. In altre parole, le modifiche non alterano direttamente la chimica della reazione, ma contribuiscono a creare condizioni strutturali più favorevoli al suo svolgimento.

A sostenere questa interpretazione non vi sono soltanto le simulazioni. La struttura cristallografica del ribozima modificato, determinata con una risoluzione di 2,6 Å, ha infatti confermato le interazioni previste dai calcoli.

Dalla comprensione alla progettazione

Il valore del risultato risiede quindi nel passaggio dall’osservazione alla comprensione. È infatti la conoscenza del meccanismo molecolare a fornire indicazioni concrete per la progettazione di nuovi ribozimi.

Comprendere questo meccanismo fornisce indicazioni importanti per la progettazione di nuovi ribozimi artificiali. Ci dimostra infatti come per ottenere un catalizzatore più efficiente non conti soltanto modificare i gruppi chimici direttamente coinvolti nella reazione. Può essere altrettanto importante controllare la flessibilità della molecola, favorendo le configurazioni più adatte alla catalisi.

Si tratta di un principio che può contribuire alla progettazione razionale di ribozimi più efficienti e, in prospettiva, allo sviluppo di nuovi strumenti per le biotecnologie basate sull’RNA. Per esempio, potrebbe favorire la realizzazione di strumenti di editing dell’RNA o di sistemi programmabili capaci di modificare in modo selettivo RNA presenti nelle cellule.

Cosa può raccontarci MTR1 sull’evoluzione dell’RNA

I ribozimi sono considerati possibili antenati evolutivi degli enzimi proteici. Comprendere come un ribozima possa catalizzare reazioni di modificazione dell’RNA aiuta quindi anche a ricostruire i possibili meccanismi che potrebbero aver preceduto l’evoluzione degli attuali sistemi biologici. 

Lo studio apre così una prospettiva più fondamentale, legata a una delle ipotesi più accreditate sull’origine della vita: quella del cosiddetto “mondo a RNA”. Secondo questa ipotesi, prima della comparsa di proteine e DNA, le prime forme di vita potrebbero aver utilizzato l’RNA sia per conservare l’informazione genetica sia per catalizzare reazioni chimiche. I ribozimi che studiamo oggi potrebbero quindi rappresentare una finestra su quel remoto passato evolutivo.

Oggi sappiamo che le modifiche chimiche dell’RNA possono influenzarne il ripiegamento, la stabilità e le interazioni con altre molecole. Molto meno esplorato è invece il loro possibile effetto diretto sulle proprietà catalitiche dei ribozimi.

Da questo punto di vista, MTR1 rappresenta un modello particolarmente interessante: è il primo esempio di ribozima nel quale l’introduzione nel sito attivo di una modificazione dell’RNA presente anche in natura aumenta significativamente l’attività catalitica. Questo risultato, naturalmente, non consente di ricostruire come fossero i primi sistemi biologici. Mostra però un possibile meccanismo attraverso cui modifiche chimiche relativamente semplici possono aver contribuito a modulare e potenziare le capacità catalitiche dell’RNA.

Comprendere questo rapporto tra chimica, struttura e funzione può quindi aiutarci sia a progettare nuovi strumenti molecolari sia a formulare ipotesi più precise sulle potenzialità dell’RNA nelle prime fasi dell’evoluzione della vita.

Lo studio, pubblicato su Nature Communications*, nasce dalla collaborazione tra il CNR-Istituto Officina dei Materiali e il gruppo di Claudia Höbartner dell’Università di Würzburg ed è stato realizzato grazie a un finanziamento PNRR nell’ambito del Centro Nazionale per lo Sviluppo di Terapia Genica e Farmaci con Tecnologia a RNA.*