Los bioquímicos discuten sobre si se acerca el final de la era del ARN

Durante décadas, la teoría del origen de la vida con ARN en el papel principal ha ocupado una posición de liderazgo. Una nueva investigación podría sacudir la confianza en el origen de la vida basada en esta teoría.

Una teoría popular afirma que la vida provino de una sopa rica en químicos en la que el ARN comenzó a reproducirse por primera vez. Pero una combinación de péptidos y ARN puede ser más efectiva

Hace cuatro mil millones de años, dando vueltas en la sopa química prehistórica de la Tierra, aparecieron los primeros precursores moleculares de la vida. Aunque la definición exacta de estas moléculas sigue siendo un tema de debate irritado, los científicos están de acuerdo en que estas moléculas necesitan llevar a cabo dos acciones principales: guardar información y catalizar reacciones químicas. Las células modernas transfieren estos poderes, respectivamente, al ADN y sus proteínas, pero de acuerdo con la explicación popular que prevalece en los estudios modernos sobre el origen de los libros de texto de origen y biología, el ARN fue el primero en desempeñar este papel, allanando el camino para el ADN y las proteínas que asumieron estas funciones más tarde.

Esta hipótesis, propuesta en la década de 1960 y apodada el " mundo del ARN " dos décadas después, ahora se considera la explicación más probable para el comienzo de la vida. También hay suficientes "mundos" alternativos, pero generalmente se los considera teorías de reserva, vuelos ilusorios de la imaginación y extraños experimentos de pensamiento.

Principalmente porque la hipótesis del mundo del ARN está respaldada por una gran cantidad de evidencia experimental de la que han obtenido sus competidores. El mes pasado, informamos sobre una teoría alternativa , según la cual las moléculas similares a proteínas podrían ser las primeras moléculas auto-reproductoras en lugar de ARN. Pero estos hallazgos fueron puramente computacionales, entonces los investigadores apenas estaban comenzando experimentos en busca de evidencia a favor de sus declaraciones.

Ahora, un par de investigadores han presentado otra teoría, esta vez que involucra la evolución conjunta de ARN y péptidos , que, según ellos, puede sacudir los cimientos del mundo del ARN.

Por qué faltaba el ARN

Los artículos recientes publicados en las revistas Biosystems and Molecular Biology and Evolution describen esquemáticamente la evidencia de que la hipótesis del mundo del ARN no proporciona evidencia suficiente para eventos evolutivos posteriores. En cambio, dice Charles Carter , un biólogo estructural de la Universidad de Carolina del Norte, uno de los autores del trabajo, su modelo hace una propuesta adecuada. "Nunca un solo polímero podría realizar todos los procesos necesarios para lo que ahora nos caracteriza como parte de la vida", agrega.


Charles Carter, biólogo estructural, Universidad de Carolina del Norte

Y este único polímero no podría ser ARN, según estudios realizados por su equipo. La principal objeción a esta molécula es la catálisis : algunos estudios han demostrado que para que la vida comience a funcionar, el misterioso polímero debe ser capaz de coordinar la velocidad de las reacciones químicas que pueden ir con velocidades que varían en magnitud en 20 órdenes de magnitud. Incluso si el ARN de alguna manera logró hacer esto en el mundo prebiológico, sus capacidades como catalizador deberían haberse adaptado a las temperaturas de combustión, del orden de 100 ° C, que prevalecían en la Tierra primitiva. Cuando el planeta comenzó a enfriarse, el ARN, según Carter, no pudo evolucionar y mantener aún más la sincronización. Una sinfonía de reacciones químicas pronto se desmoronaría.

Lo más probable, lo más importante, es que el mundo con ARN solo no explica la apariencia del código genético que la gran mayoría de los organismos vivos usan hoy para transferir información genética a las proteínas. El código toma cada una de las 64 secuencias de ARN de trinucleótidos posibles y las combina con uno de los 20 aminoácidos utilizados para crear las proteínas. Elegir un conjunto de reglas que sean lo suficientemente confiables para llevar a cabo tal tarea tomaría demasiado tiempo solo para el ARN, dice Peter Wills, coautor de Carter de la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda, si el mundo del ARN pudiera alcanzar un estado tal que le parece poco probable. Desde el punto de vista de Wills, el ARN podría convertirse en un catalizador para su propia formación, lo que lo haría "químicamente reflexivo", pero carecía de "reflexividad computacional".


Peter Wills, biofísico de la Universidad de Auckland en Nueva Zelanda

"Un sistema que usa la información de la forma en que los organismos usan la información genética - para sintetizar sus propios componentes - debe contener información reflexiva", dijo Wills. La información reflexiva, por su definición, es tal información que "al codificarse en el sistema, crea componentes que llevan a cabo esta decodificación particular". El ARN de la hipótesis del mundo del ARN, agregó, es una química simple porque no puede controlar su química. "El mundo del ARN no te dice nada sobre genética", dijo.

La naturaleza necesitaba encontrar otra forma, el mejor atajo para crear el código genético. Carter y Wills creen que han abierto este atajo. Depende de un pequeño circuito de retroalimentación que no solo crecería a partir del ARN, sino que podría emerger de un complejo de péptidos y ARN.

Trayendo péptidos a los negocios

Carter encontró indicios de este complejo a mediados de la década de 1970 cuando supo en el instituto que ciertas estructuras que se encuentran en la mayoría de las proteínas son "diestras". Los átomos en las estructuras podrían organizarse de dos maneras equivalentes, que son especularmente diferentes entre sí, pero todas las estructuras usan solo un método. La mayoría de los ácidos nucleicos que forman el ADN y el ARN también son diestros. Carter comenzó a considerar los ARN y los polipéptidos como estructuras complementarias, y modeló un complejo en el que "fueron creados el uno para el otro, como una mano y un guante".

Esto implica la posibilidad de codificación elemental, la base para el intercambio de información entre ARN y polipéptidos. Trabajó en bocetos de cómo podría verse este proceso, extrapolando a partir de un código genético moderno y mucho más complejo. Cuando la hipótesis, que se llamó el "mundo del ARN" en 1986, ganó popularidad, Carter, por su admisión, estaba sin resolver. Le parecía que su mundo de péptidos y ARN, propuesto diez años antes, había sido completamente ignorado.

Desde entonces, él, Wills y otros han colaborado en una teoría que regresa a ese estudio. Su objetivo principal era deducir el código genético más simple que precede al moderno, más específico y complejo. Por lo tanto, recurrieron no solo a los cálculos, sino también a la genética.

Su teoría se basa en 20 moléculas de "carga", sintetasas de aminoacil-ARNt . Estas enzimas catalíticas permiten que el ARN se una a ciertos aminoácidos de acuerdo con las reglas del código genético. "En cierto sentido, el código genético está escrito en las características de los puntos activos" de estas enzimas, dice Jenny Hofmeir, bioquímica de la Universidad de Stellenbosch en Sudáfrica, que no participó en el estudio.

Estudios anteriores han demostrado que 20 enzimas se pueden dividir por igual en dos grupos de 10 piezas en función de su estructura y secuencias. Estas dos clases de enzimas tienen ciertas secuencias que codifican aminoácidos mutuamente excluyentes, es decir, estas enzimas deberían haber aparecido de las cadenas complementarias de un gen antiguo. Carter, Wills y sus colegas descubrieron que, en este caso, los péptidos codificados con ARN utilizan un conjunto de solo dos reglas (o, en otras palabras, utilizan dos tipos de aminoácidos). Los péptidos resultantes mantuvieron las mismas reglas que rigen el proceso de transmisión, lo que crea un ciclo de retroalimentación clave para esta teoría.


Mundo de péptidos de ARN

La vida podría surgir de la interacción de ARN y péptidos que actuaron como el primer código genético. Un ciclo de reacción autosostenible crearía enzimas al elegir entre solo dos tipos de aminoácidos en lugar de los 20 tipos que se encuentran en las proteínas modernas.

1) Las "enzimas de carga" coinciden con las secuencias de bases en el ARN y ayudan a crear cadenas de péptidos a partir de los aminoácidos unidos de la primera clase (roja) y segunda (verde)
2) Las cadenas peptídicas se pliegan en formas funcionales
3) Dependiendo de la forma de la cadena, los aminoácidos de la primera o segunda clase se seleccionan y se convierten en enzimas de carga activa.
4) Las enzimas interactúan con el ARN y entregan aminoácidos a las cadenas formadoras

El teorema de Gödel y la química de la vida.

Carter ve muchas similitudes entre este bucle y el bucle en las matemáticas descritas por el filósofo y matemático Kurt Gödel , cuyo teorema de incompletitud postula que las declaraciones que no pueden ser probadas o refutadas por el propio sistema necesariamente aparecerán en cualquier sistema lógico. "Creo que la analogía con el teorema de Godel proporciona un argumento bastante fuerte para la inevitabilidad", dijo Carter.

En trabajos recientes, Carter y Wills muestran que su mundo de péptidos de ARN resuelve problemas con lagunas en la historia del origen de la vida que solo un ARN no puede explicar. "Proporcionan evidencia teórica y experimental confiable de que el ARN y los péptidos han estado involucrados en la generación del código genético desde el principio", dijo Hofmeir, "y que el metabolismo, la creación mediante la copia, la transmisión y la reproducción, deben haber evolucionado juntos".



Por supuesto, el modelo Carter-Wills comienza con un código genético, cuya existencia implica reacciones químicas complejas, que incluyen moléculas como el ARN de transporte y las enzimas de carga. Los investigadores afirman que en los eventos que precedieron a su escenario propuesto, la interacción de ARN y péptidos estuvo involucrada. Sin embargo, esta suposición deja muchas preguntas abiertas sobre cómo comenzó esa química y cómo se veía.

Para responder a estas preguntas, hay muchas teorías que van mucho más allá del mundo del ARN. Algunos científicos incluso adoptan el enfoque opuesto al de Carter y Wills: creen que las primeras etapas del desarrollo de la vida no se parecen necesariamente a la química que existe hoy en día. Doron Lancet , investigador del genoma del Instituto de Ciencias Wizman en Israel, ofrece una teoría alternativa basada en el ensamblaje de lípidos que catalizan la entrada y salida de varias moléculas. La información se transmite no por secuencias genéticas, sino por composiciones lipídicas.

Al igual que el modelo Carter-Wills, la idea de Lancet no incluye un solo tipo de molécula, sino un gran número de ellas. "Se está recopilando cada vez más evidencia", dice Lancet, "capaz de confirmar esta hipótesis alternativa". Hasta ahora, los científicos no han decidido qué sucedió exactamente en los orígenes de la vida, pero, aparentemente, están comenzando a alejarse de una historia en la que había exclusivamente un ARN. "Solo necesitamos poner algunos huevos en la canasta de ARN", dijo Hofmeir.