Análogo de ácido nucleico

[miniatura|300px|[ARN coas súas nucleobases á esquerda e  ADN coas súas nucleobases á dereita.]]

Os **análogos de ácido nucleico** son compostos que son análogos (estruturalmente similares) aos ARNs e ADNs que aparecen na Natureza, que se usan en medicina e investigación en bioloxía molecular. Os ácidos nucleicos son cadeas de nucleótidos, que están compostos por tres partes: un esqueleto molecular formado por fosfato e un azucre pentosa, que pode ser ribosa ou desoxirribosa, ao que están unidas nucleobases. Un análogo pode ter calquera destas tres partes alterada. Caracteristicamente, as nucleobases análogas confiren, entre outras cousas, diferentes apareamentos de bases e distintas propiedades de empillamento. Exemplos son as bases universais, que poden aparearse con calquera das catro bases canónicas, e os análogos do esqueleto de fosfato-azucre como o PNA, que afecta as propiedades da cadea (o PNA incluso pode formar unha hélice tripla).
Os análogos de ácido nucleico sintéticos tamén se chaman ácidos xenonucleicos (XNA) e representan un dos principais piares da xenobioloxía, o deseño de formas de vida de natureza nova baseadas en bioquímicas alternativas. Outro grupo de análogos de ácido nucleico son os Morpholino.

Entre os ácidos nucleicos artificiais están os ácidos peptonucleicos (PNA), os Morpholinos e os ácidos nucleicos bloqueados (LNA), así como os ácidos glicolnucleicos (GNA), ácidos treonucleicos (TNA) e os ácidos hexitolnucleicos (HNA). Cada un deles distínguese dos ADNs ou ARNs naturais polos cambios que presenta no esqueleto da molécula. Porén, a teoría do polielectrólito do xene propón que unha molécula xenética require un esqueleto cargado para funcionar.

En maio de 2014 anunciouse que se conseguira introducir dous novos nucleótidos artificias no ADN bacteriano, e ao incluírse nucleótidos artificiais individuais no medio de cultivo, estes puideron pasar ás bacerias 24 veces; pero non se crearon ARNms ou proteínas capaces de usaren os nucleótidos artificiais. Os nucleótidos artificiais posuían dous aneis aromáticos fusionados.

## Medicina 
Varios análogos de nucleósidos utilízanse como axentes antivirais ou anticancro. A polimerase viral incorpora estes compostos con bases non canónicas. Estes compostos son activados nas células ao seren convertidos en nucleótidos, pero son administrados como nucleósidos, xa que os nucleótidos cargados non poden atravesr doadamente as membranas celulares.

## Bioloxía molecular 
miniatura|200px|Cambios comúns en análogos de nucleótidos
Os análogos de ácidos nucleicos utilízanse en bioloxía molecular para varios propósitos:
* Investigación de posibles escenarios da orixe da vida. Ao probaren diferentes análogos, os investigadores tratan de responder a cuestión de se o uso polos seres vivos do ADN e ARN foi seleccionado co tempo debido ás súas propiedades, ou se foron elixidos por un azar arbitrario;
* Como ferramenta para detectar secuencias determinadas: o XNA pode usarse para etiquetar e identificar unha ampla variedade de compoñentes do ADN e ARN con alta especificidade e exactitude;
* Como encima que actúa sobre o ADN e ARN e substratos XNA. O XNA ten a capacidade de cortar enlaces e ligalos no ADN, ARN e outras moléculas de XNA de xeito similar ás accións que realizan os ribocimas de ARN; e o ácido peptonucleico (PNA). Aínda que estes oligonucleótidos teñen un esqueleto molecular cun azucre (ou no caso do PNA hai un residuo de aminoácido en lugar da ribosa-fosfato), aínda se seguen unindo ao ARN ou ADN segundo o apareamento de bases de Watson e Crick á vez que son inmunes á actividade das nucleases. Non poden ser sintetizados encimaticamente e só se poden obter sinteticamente usando a estratexia da fosforamidita ou, no caso do PNA, outros métodos de síntese de péptidos.

### Outros notables análogos usados como ferramentas 
Os didesoxinucleótidos utilízanse en secuenciación. Estes nucleósidos trifosfato posúen un azucre non canónico, a didesoxirribosa, que carece do grupo 3' hidroxilo normalmente presente no ADN e, polo tanto, non se poden unir coa seguinte base. A falta do grupo 3' hidroxilo fai que termine a cadea de reacción, xa que as ADN polimerases confúndeno cun desoxirribonucleótido normal. Outro análogo terminador da cadea que carece de 3' hidroxilo e imita a adenosina denomínase Cordycepin. O Cordycepin é unha droga anitcancro que afecta a replicación do ARN. Outro análogo para secuenciación é o análogo de nucleobase 7-deaza-GTP, que se utiliza para secuenciar rexións ricas en CG, que é distinto do 7-deaza-ATP, denominado tubercidina, que é un antibiótico.

### Precursores do mundo de ARN prebiótico 
Suxeriuse que o actual mundo no que prevalece o ADN como molécula xenética foi precedido por un mundo de ARN e que este á súa vez puido ser precedido por un "mundo similar ao ARN" no que habería outros ácidos nucleicos parecidos ao ARN pero con diferente esqueleto molecular, como o PNA. Porén, as evidencias desta hipótese son polo momento escasas.

## Análogos de bases 
### Estrutura e nomenclatura das nucleobases 
As bases que aparecen naturalmente poden dividirse en dúas clases segundo a súa estrutura:
* Pirimidinas. Son heterociclos de seis membros con átomos de nitróxeno nas posicións 1 e 3.
* Purinas. Son bicíclicas, consistindo nunha pirimidina fusionada cun anel de imidazol.

Ademais, pódense crear nucleótidos artificiais. Inseríronse uns nucleótidos artificiais (con "pares de bases non naturais) chamados *d5SICS UBP* e *dNaM UBP* no ADN bacteriano pero estes xenes non orixinan ARNm nin inducen a síntese de proteínas. Estes nucleótidos artificiais presentan dous aneis aromáticos fusionados que forman un complexo (d5SICS–dNaM) que imita un par de bases natural (dG–dC).

### Mutáxenos 
Un dos análogos de bases máis común é o 5-bromouracilo (5BU), a base anormal atopada no análogo de nucleótido mutaxénico BrdU. Cando un nucleótido que contén 5-bromouracilo se incorpora ao ADN, é máis probable que se aparee coa adenina; porén, pode cambiar espontaneamente a outro isómero (paso de ceto a enol) que se aparea cunha nucleobase diferente, a guanina. Se isto ocorre durante a replicación do ADN, inserirase unha guanina enfronte do análogo da base, e na seguinte replicación do ADN, esa guanina aparéase cunha citosina. Isto ten como resultado un cambio nun par de bases do ADN, concretamente unha mutación por transición.

Adicionalmente, o ácido nitroso (HNO2) é un potente mutáxeno que actúa sobre ADN replicante e non replcante. pode causar desaminación dos grupos amino da adenina, guanina e citosina. A adenina é desaminada a hipoxantina, que se aparea coa citosina en vez de coa timina. A citosina é desaminada a uracilo, que se aparea coa adenina en vez de coa guanina. A desaminación da gunaina non é mutaxénica. As mutacións inducidas polo ácido nitroso tamén poden causar retromutacións ao tipo silvestre.

### Fluoróforos 
miniatura|200px|Estrutura da aminoalil-uridina

Normalmente líganse fluoróforos (como a rodamina ou a fluoresceína) ao anel unido ao azucre (en posición *para*) por medio dun brazo molecular flexible, presumiblemente extrudíndoo do suco maior da hélice. Debido á baixa procesividade das Taq polimerases cos nucleótidos ligados a adutos voluminosos como os floróforos, normalmente a secuencia é copiada usando un nucleótido que posúe un brazo e posteriormente é acoplada co fluoróforo reactivo (etiquetado indirecto), que pode ter distintas reactividades:
* Reactivo ao amino: os aminoalil nucleótidos conteñen un grupo amino primario sobre un enlazador (*linker*) que reacciona co marcador fluorescente aminorreactivo como os marcadores cianina ou Alexa Fluor, que conteñen un grupo reactivo saínte como o succinimidil éster (NHS). Os grupos amino de bases apareadas non son afectados.
* Reactivo ao tiol: Os nucleótidos que conteñen tiol reaccionan co fluoróforo unido a un grupo sainte reactivo como a maleimida.
* Os nucleótidos unidos a biotina dependen do mesmo principio de etiquetaxe indirecta (e da estreptavidina fluorescente) e utilízanse en chips de ADN Affymetrix.

Os fluoróforos teñen varios usos en medicina e bioquímica.

### Análogos de bases fluorescentes 
O análogo de bases fluorescente máis comunmente usado e dispoñible comercialmente é a 2-aminopurina (2-AP), que ten un rendemento cuántico de alta fluorescencia libre en solución (0,68) que se ve considerablemente reducido (aproximadamente 100 veces menos, pero moi dependente da secuencia de bases) cando se incorpora aos ácidos nucleicos. A sensibilidade de emisión da 2-AP na área que a rodea é similar á outros análogos de bases fluorescentes moi útiles e prometedores, como 3-MI, 6-MI, 6-MAP, pirrolo-dC (tamén dispoñible comercialmente), derivados modificados e mellorados do pirrolo-dC, bases modificadas con furano e moitos outros (ver as revisións recentes). Esta sensibilidade ao microambiente foi utilizada en estudos de, por exemplo, a estrutura e dinámica do ADN e ARN, dinámica e xenética da interacción ADN-proteínas e na transferencia de electróns no ADN.

Un grupo moi interesante de novo desenvolvemento de análogos de bases fluorescentes que ten un rendemento cuántico de fluorescencia que é case insensible ás bases que os rodean é a familia da citosina tricíclica. A 1,3-diaza-2-oxofhenotiazina, tC, ten un rendemento cuántico de fluorescencia de aproximadamente 0,2 tanto en ácidos nucleicos de febra simple coma de febra dobre sen importar as bases que a rodean. Tamén o oxo-homólogo da tC chamado tCO (ambos dispoñibles comercialmente), a 1,3-diaza-2-oxofenoxazina, ten un rendemento cuántico de 0,2 en sistemas de dobre febra. Porén, é algo sensible ás bases que o rodean en ácidos nucleicos de febra simple (rendementos cuánticos de 0,14–0,41). Os rendementos cuánticos altos e estables destes análogos de bases fan que sexan moi brillantes, e, en combinación coas súas boas propiedades como análogos de bases (deixan a estrutura e estabilidade do ADN case sen perturbar), son especialmente útiles en medidas de anisotropía de fluorescencia e FRET, áreas onde outros análogos de bases fluorescentes son menos exactos. Ademais, na mesma familia dos análogos da citosina, desenvolveuse un análogo de base aceptor de FRET, a  tCnitro. Xunto co tCO como doante de FRET este constitúe o primeiro par de FRET análogo de base de ácido nucleico que se desenvolveu. A familia tC foi usada, por exemplo, en estudos relacionados coa unión da polimerase co ADN e mecanismos de polimerización do ADN.

### Bases non canónicas naturais 
Nunha célula están presentes varias bases non canónicas: illas CpG no ADN (a miúdo metiladas), todos os ARNm eucariotas (cunha metil-7-guanosina ou *cap* no extremo), e varias bases de ARNrs (metiladas). A miúdo, os ARNt son fortemente modificados postrasncricionalmente para mellorar a súa conformación ou apareamento de bases, en especial en ou preto do anticodón: a inosina pode establecer un par de bases coa C, U, e mesmo con A, mentres que a tiouridina (con A) é máis específica que o uracilo (cunha purina). Outras modificacións de bases do ARNt comúns son a pseudouridina (que lle deu o seu nome ao bucle TΨC), a dihidrouridina (que non se empilla porque non é aromática), a queuosina, a wyosina e outras. No entanto, todas estas son modificacións das bases normais e non son colocadas por unha polimerase.
 A diaminopurina pode aparearse perfectamente coa timina, xa que é idéntica á adenina pero ten un grupo amino na posición 2, formando tres enlaces de hidróxeno intramoleculares, eliminando a pincipal diferenza entre os dous tipos de pares de bases (unión débil A-T fronte a forte C-G). Esta mellora da estabilidade afecta ás interaccións de unión coa proteína que dependen destas diferenzas.
Outras combinacións son:
* A isoguanina e a isocitosina, que teñen os seus grupos amino e cetona invertidos comparados coas bases estándar guanina e citosina. Non se usan probablemente porque os tautómeros son problemáticos para o apareamento de bases, pero a isoC e a isoG poden ser amplificadas correctamente con PCR incluso en presenza das catro bases canónicas.
* Diaminopirimidina e xantina, que se unen de igual modo que a 2-aminoadenina e a timina, pero con estruturas invertidas. Este par non se usa, xa que a xantina é un produto de desaminación.

Porén, a estrutura correcta do ADN pode formarse incluso cando as bases non se aparean por enlaces de hidróxeno; é dicir, as bases aparéanse por hidrofobicidade, como mostraron os estudos con isósteros do ADN  (os análogos co mesmo número de átomos) como o análogo da timina, o 2,4-difluorotolueno (F), ou o análogo da adenina, o 4-metilbencimidazol (Z). Un par hidrófobo alternativo podería ser isoquinolina e pirrolo[2,3-b]piridina.

Outros pares de bases salientables son:
* Creáronse tamén varias bases fluorescentes, como o par de bases entre a 2-amino-6-(2-tienil)purina e o pirrole-2-carbaldehido.
* Bases coordinadas por metais, como o apareamento entre a piridina-2,6-dicarboxilato (ligando tridentado) e unha piridina (ligando monodentado) por medio dunha coordinación plana cadrada cun ión de cobre central.
* As bases universais poden aparearse indiscriminadamente con calquera outra base, mais, en xeral, rebaixan a temperatura de fusión da secuencia considerablemente; exemplos son os derivados da 2'-desoxiinosina (desoxinucleótido de hipoxantina), análogos de nitroazol, e bases que non forman enlaces de hidróxeno aromáticas hidrófobas (fortes efectos de empillamento). Estes utilízanse como probas do concepto e, en xeral, non se utilizan en cebadores dexenerados (que son unha mestura de cebadores).
* O número de posibles pares de bases é o dobre cando se considera o ADNx. O ADNx contén bases expandidas, nas cales se engdiu un anel bencénico, o cal pode aparearse coas bases canónicas, o que ten como resultado catro posibles pares de bases adicionais (xA-T, xT-A, xC-G, xG-C) con oito bases en total (ou 16 bases se se utilizan os arranxos pouco frecuentes). Outra forma de base con benceno engadidio é o ADNy, no cal a base é máis ancha polo benceno.

### Apareamento de bases con metal 
No apareamento de bases con metal, os enlaces de hidróxeno de Watson e Crick son substituídos por interaccións entre un  ión metálico e nucleósidos que actúan como ligandos. As posibles xeometrías do metal que permitirían a formación do dúplex con dous nucleósidos bidentados arredor do átomo metálico central son tetraédrica, dodecaédrica e plana cadrada. A formación dun complexo do metal co ADN pode ocorrer pola formación de pares de base non canónicos con nucleobases naturais con participación de ións metálicos e tamén co intercambio de átomos de hidróxeno que forman parte dos pares de bases de Watson e Crick con ións metálicos. A introdución dos ións metálicos na dobre hélice do ADN mostrou ter un potencial magnético ou propiedades condutoras, así como un incremento de estabilidade.

A formación de complexos con metais observouse  que ocorre entre nucleobases naturais. Un exemplo ben documentado é a formación de T-Hg-T, que supón que dúas nucleobases timina desprotonadas quedan unidas por un ión Hg2+ e forman así un par de bases conectado a un metal. Este motivo non acomoda o Hg2+ empillado nunha dobre hélice debido ao proceso de formación dunha forquita intrafebras, o que é favorecido sobre a formación da dobre hélice. Dúas timinas enfrontadas non forman un par de bases de Watson e Crick; isto é un exemplo onde a discordancia do par de bases de Watson e Crick queda estabilizada pola formación do par metal-par de bases. Outro exemplo dun complexo de matal con nucleobases naturais é a formación de A-Zn-T e G-Zn-C a pH alto; o Co2+ e o Ni2+ tamén forman estes complexos. Estes son pares de bases de Watson e Crick nos que o catión divalente está en coordinación coas nucleobases. Os enlaces exactos son debatidos.

Desenvolveuse unha gran variedade de nucleobases artificiais para o seu uso como pares de bases de metais. Estas nucleobases modificadas mostran propiedades electrónicas axustbles, tamaños, e afinidades de unión que poden ser optimizadas para un metal específico. Por exemplo, un nucleósido modificado cunha piridina-2,6-dicarboxilato ten a capacidade de unirse fortemente ao Cu2+, mentres que outros ións divalentes só se enlazan máis feblemente. O carácter tridentado contribúe á súa selectividade. O sitio de coordinación 4 do cobre está saturado por unha nucleobase pirimídínica situada enfronte. O sistema de apareamento con metal asimétrico é ortogonal aos pares de bases de  Watson e Crick. Outro exemplo dunha nucleobase artificial é con nucleobases hidroxipiridona, que son capaces de enlazarse ao Cu2+ dentro da dobre hélice de ADN. Incorporáronse a unha dobre febra cinco pares de bases hidroxipiridona-cobre consecutivas, que estaban flanqueadas por só unha nucleobase natural en ambos os extremos. Os datos EPR mostraron que a distancia entre os centros de cobre se estimaba en 3,7 ± 0,1 Å, mentes que o dúplex de ADN de tipo B natural só é lixeiramente máis longo (3,4 Å). Espérase que ao empillar ións metálicos dentro da dobre hélice do ADN se obteñan arames metálicos autoensamblantes nanoscópicos, se ben isto non puido ser realizado aínda.

## Par de bases non natural (UBPs) 
Un par de bases non natural ou UBP (do inglés *unnatural base pair*) é unha subunidade deseñada (ou nucleobase) de ADN que se creou en laboratorio e non aparace na Natureza. En 2012, un grupo de científicos estadounidenses liderado por Floyd Romesberg, un biólogo químico do Instituto de Investigación Scripps de San Diego, California, publicou que o seu equipo deseñara dous pares de bases non naturais chamados d5SICS e dNaM. Estes nucleótidos artificiais levan nucleobases hidrófobas que posúen dous aneis aromáticos fusionados que forman un par de bases ou complexo d5SICS–dNaM no ADN. En 2014 o mesmo equipo informou que sintetizaran un plásmido que contén os pares de bases naturais T-A e C-G xunto cos pares de bases non naturais con mellor rendemento deseñados no laboratorio de Romesberg, que se inseriron nas células da bacteria *Escherichia coli*, a cal conseguiu replicar os pares de bases non naturais durante oito xeracións. Este é o primeiro exemplo coñecido de que un organismo vivo transmita un código xenético expandido ás seguintes xeracións. Isto conseguiuse en parte pola adición dun xene de algas de apoio que expresa un transportador de nucleósidos trifosfato que importa eficientemente os trifosfatos de d5SICSTP ou dNaMTP ao interior da bacteria *E. coli*. Recentemente conseguiuse a transcrición de ADN que codifica pares de bases non naturais e a tradución dos correspondentes ARNm. En novembro de 2017 o mesmo equipo no Instituto de Investigación Scripps que foi o primeiro en introducir dúas nucleobases extra no ADN bacteriano, informou que construíra unha bacteria *E. coli* semisintética capaz de facer proteínas usando ese ADN. O seu ADN contiña seis nucleobases diferentes: catro canónicas e dúas engadidas artificailmente, dNaM e dTPT3 (estas dúas formaban un par). As bacterias tiñan tamén as dúas bases correspondentes de ARN incluídas nos dous novos codóns, ARNts adicionais para recoñecer estes dous novos codóns (estes ARNts contiñan tamén dúas novas bases do ARN nos seus anticodóns) e un aminoácido adicional, todo o cal permitía que as bacterias sintetizasen proteínas "non naturais".

Outra demostración da creación de pares de bases non naturais realizouna o grupo de Ichiro Hirao no instituo RIKEN do Xapón. En 2002 desenvolveron un par de bases non natural formado por 2-amino-8-(2-tienil)purina (chamada s) e piridina-2-ona (chamada y) que funciona in vitro na transcrición e tradución, para a incorporación específica de sitio de aminoácidos non estándar ás proteínas. En 2006 crearon un terceito par de bases formado por 7-(2-tienil)imidazo[4,5-b]piridina (chamada Ds) e pirrol-2-carbaldehido (chamado Pa) para a replicación e transcrición. Posteriormente, descubriuse que a Ds e o 4-[3-(6-aminohexanamido)-1-propynil]-2-nitropirrol (ou Px) formaban un par con alta fidelidade na amplificación por PCR. En 2013, aplicaron o par Ds-Px á xeración dun aptámero de ADN por selección in vitro (SELEX) e demostraron que a ampliación do alfabeto xenético aumentaba significativamente as afinidades do aptámero de ADN a proteínas diana.

## Sistema ortogonal 
Propúxose e estudouse a posibilidade, tanto teoricamente coma experimentalmente, de aplicar un sistema ortogonal dentro das células independente do material xenético celular para construír un sistema completamente seguro, co posible incremento dos potenciais de codificación.
Varios grupos de investigación centráronse en diferentes aspectos:
* Novos esqueletos moleculares e pares de bases como se discutiu anteriormente;
* Replicación artificial de XNAs e transcrición por polimerases como a ARN polimerase de T7;
* Secuencias de ARNr 16S coas anti-secuencias Shine-Dalgarno alteradas que só permiten a tradución de ARNm ortogonal cunha secuencia Shine-Dalgarno alterada correspondente; e
* Novos ARNt para aminoácidos non naturais para crear un código xenético expandido.

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
* Biotina
* Desoxirribocima
* Código xenético expandido
* Fluoróforo
* Síntese de oligonucleótidos
* Ribocima
* Xenobioloxía
* ADNx
* ADN Hachimoji
* Ácido xenonucleico