El problema del huevo y la gallina

Un equipo de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich ha demostrado que ligeras alteraciones en las moléculas de ARN de transferencia (ARNt) les permiten autoensamblarse en una unidad funcional que puede replicar información de manera exponencial. Los ARNt son elementos clave en la evolución de las formas de vida tempranas.

La vida tal como la conocemos se basa en una compleja red de interacciones, que tienen lugar a escalas microscópicas en células biológicas e involucran a miles de especies moleculares distintas. En nuestros cuerpos, un proceso fundamental se repite innumerables veces todos los días. En una operación conocida como replicación, las proteínas duplican la información genética codificada en las moléculas de ADN almacenadas en el núcleo celular, antes de distribuirlas por igual a las dos células hijas durante la división celular. A continuación, la información se copia (“transcribe”) de forma selectiva en lo que se denominan moléculas de ARN mensajero (ARNm), que dirigen la síntesis de las muchas proteínas diferentes que requiere el tipo de célula en cuestión. Un segundo tipo de ARN – ARN de transferencia (ARNt) – juega un papel central en la ‘traducción’ de ARNm en proteínas. Los ARN de transferencia actúan como intermediarios entre los ARNm y las proteínas: garantizan que las subunidades de aminoácidos que componen cada proteína en particular se unan en la secuencia especificada por el ARNm correspondiente.

¿Cómo pudo surgir una interacción tan compleja entre la replicación del ADN y la traducción de los ARNm en proteínas cuando los sistemas vivos evolucionaron por primera vez en la Tierra primitiva? Tenemos aquí un ejemplo clásico del problema del huevo y la gallina: las proteínas son necesarias para la transcripción de la información genética, pero su síntesis depende de la transcripción.

Los físicos de LMU dirigidos por el profesor Dieter Braun ahora han demostrado cómo se podría haber resuelto este enigma. Han demostrado que modificaciones menores en las estructuras de las moléculas de ARNt modernas les permiten interactuar de manera autónoma para formar una especie de módulo de replicación, que es capaz de replicar información de manera exponencial. Este hallazgo implica que los ARNt, los intermediarios clave entre la transcripción y la traducción en las células modernas, también podrían haber sido el vínculo crucial entre la replicación y la traducción en los primeros sistemas vivos. Por lo tanto, podría proporcionar una solución clara a la pregunta de qué fue primero: ¿la información genética o las proteínas?

Sorprendentemente, en términos de sus secuencias y estructura general, los ARNt están altamente conservados en los tres dominios de la vida, es decir, las arqueas y bacterias unicelulares (que carecen de núcleo celular) y las eucariotas (organismos cuyas células contienen un núcleo verdadero). Este hecho en sí mismo sugiere que los ARNt se encuentran entre las moléculas más antiguas de la biosfera.

Al igual que los pasos posteriores en la evolución de la vida, la evolución de la replicación y la traducción, y la compleja relación entre ellas, no fue el resultado de un solo paso repentino. Se entiende mejor como la culminación de un viaje evolutivo. “Es probable que fenómenos fundamentales como la autorreplicación, la autocatálisis, la autoorganización y la compartimentación hayan jugado un papel importante en estos desarrollos”, dice Dieter Braun. “Y en una nota más general, tales procesos físicos y químicos son totalmente dependientes de la disponibilidad de entornos que proporcionan condiciones de no equilibrio”.

En sus experimentos, Braun y sus colegas utilizaron un conjunto de cadenas de ADN recíprocamente complementarias modeladas en la forma característica de los ARNt modernos. Cada uno estaba formado por dos ‘horquillas’ (llamadas así porque cada hebra podía emparejarse parcialmente con sí misma y formar una estructura de bucle alargado), separadas por una secuencia informativa en el medio. Ocho de estas hebras pueden interactuar mediante el apareamiento de bases complementarias para formar un complejo. Dependiendo de los patrones de emparejamiento dictados por las regiones informativas centrales, este complejo pudo codificar un código binario de 4 dígitos.

Cada experimento comenzó con una plantilla: una estructura informativa compuesta por dos tipos de secuencias informativas centrales que definen una secuencia binaria. Esta secuencia dicta la forma de la molécula complementaria con la que puede interactuar en el conjunto de hebras disponibles. Los investigadores continuaron demostrando que la estructura binaria de la plantilla se puede copiar repetidamente, es decir, amplificar, aplicando una secuencia repetida de fluctuaciones de temperatura entre cálida y fría. “Por lo tanto, es concebible que tal mecanismo de replicación pudiera haber tenido lugar en un microsistema hidrotermal en la Tierra primitiva”, dice Braun. En particular, las soluciones acuosas atrapadas en rocas porosas en el lecho marino habrían proporcionado un entorno favorable para tales ciclos de reacción, ya que se sabe que las oscilaciones de temperatura naturales, generadas por corrientes de convección, ocurren en tales entornos.

Durante el proceso de copia, las hebras complementarias (extraídas del conjunto de moléculas) se emparejan con el segmento informativo de las hebras de la plantilla. Con el paso del tiempo, las horquillas adyacentes de estas hebras también se emparejan para formar una columna vertebral estable, y las oscilaciones de temperatura continúan impulsando el proceso de amplificación. Si la temperatura aumenta durante un breve período, las hebras de plantilla se separan de la réplica recién formada, y ambas pueden servir como hebras de plantilla en la siguiente ronda de replicación.

El equipo pudo demostrar que el sistema es capaz de replicarse exponencialmente. Este es un hallazgo importante, ya que muestra que el mecanismo de replicación es particularmente resistente al colapso debido a la acumulación de errores. El hecho de que la estructura del propio complejo replicador se parezca a la de los ARNt modernos sugiere que las formas tempranas de ARNt podrían haber participado en los procesos de replicación molecular, antes de que las moléculas de ARNt asumieran su función moderna en la traducción de secuencias de ARN mensajero en proteínas. “Este vínculo entre la replicación y la traducción en un escenario evolutivo temprano podría proporcionar una solución al problema del huevo y la gallina”, dice Alexandra Kühnlein. También podría explicar la forma característica de los proto-ARNt y dilucidar el papel de los ARNt antes de que fueran cooptados para su uso en la traducción.

La investigación de laboratorio sobre el origen de la vida y el surgimiento de la evolución darwiniana a nivel de polímeros químicos también tiene implicaciones para el futuro de la biotecnología. “Nuestras investigaciones de las formas tempranas de replicación molecular y nuestro descubrimiento de un vínculo entre la replicación y la traducción nos acercan un paso más a la reconstrucción del origen de la vida”, concluye Braun.

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