Durante muchas décadas, biólogos, químicos e incluso matemáticos han estado trabajando en el problema del origen de la vida. Y aunque ya existen hipótesis científicamente fundamentadas y respaldadas de la evolución química antes de la aparición de la primera célula, el trabajo en esta dirección continúa. "Lenta.ru" habla de un nuevo estudio sobre el problema del mundo del ARN, cuyos resultados se publicaron en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Los científicos de la Universidad Estatal de Portland, al realizar experimentos con ribozimas, encontraron que la capacidad de estas moléculas para catalizar su propio ensamblaje depende de su interacción con otras moléculas similares. El estudio apoya indirectamente la hipótesis del mundo del ARN, que afirma que la primera molécula orgánica que se convirtió en la base de las primeras células fue el ARN. Estas moléculas de ARN pudieron auto-sintetizarse, competir entre sí y participar en la evolución prebiótica, cuando los compuestos más exitosos se convirtieron en la base de complejos químicos más complejos.
Mucha gente sabe que las células vivas tienen sus propios catalizadores especiales: las enzimas, que son moléculas de proteínas plegadas de forma compleja que llevan a cabo reacciones vitales. Sin embargo, las enzimas pueden ser no solo proteínas, sino también cadenas de ARN. Recuerde que el ARN es un ácido nucleico muy similar al ADN, pero se diferencia de él en que contiene azúcar ribosa (no desoxirribosa) y una de las bases nitrogenadas, la timina, es reemplazada por uracilo. Según los científicos, el ARN apareció antes que el ADN, ya que es mucho más lábil (su estructura es más susceptible a cambios) y puede llevar a cabo reacciones catalíticas sin la ayuda de proteínas. Las moléculas de ARN que son enzimas se denominan ribozimas. Normalmente, las ribozimas catalizan la escisión de ellas mismas o de otras moléculas de ARN.
Una de las ribozimas mejor estudiadas es Azo, una enzima elaborada por científicos a partir de intrones autocortantes del Grupo I que se encuentran en el ADN de la bacteria Azoarcus. Los intrones son regiones de genes que no contienen información sobre la secuencia de una proteína o ácido nucleico, y se eliminan durante la maduración del ARN mensajero (ARNm). Todos los intrones del grupo I catalizan su propia escisión de la secuencia de ARN. El intrón ribozima Azo de interés para los científicos se encuentra en un gen que codifica un ARN de transporte (ARNt) que transporta el aminoácido isoleucina. Dentro de la célula, Azo, al igual que otras ribozimas, lleva a cabo su propia escisión del ARNt, pero en condiciones de laboratorio pudo aprender a realizar un empalme inverso: la ribozima corta en un lugar determinado el sustrato, una molécula de ARN corta con una secuencia de nucleótidos específica.piezas de las cuales permanecen adheridas a Azo.
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La estructura de la ribozima de la bacteria Azoarcus. El fragmento IGS está marcado en rojo
Imagen: Jessica AM Yeates et al. Departamento de Química, Universidad Estatal de Portland
Azo tiene aproximadamente 200 nucleótidos de largo y puede descomponerse en dos, tres o cuatro fragmentos que se unen espontáneamente a 42 grados Celsius en presencia de una solución de MgCl2. El proceso de autoensamblaje comienza con la interacción entre dos tripletes de nucleótidos (tripletes) pertenecientes a diferentes fragmentos de ARN. Cuando se forman enlaces de hidrógeno entre los tripletes de acuerdo con el principio de complementariedad, las partes de la ribozima cambian su estructura espacial y se reúnen entre sí. Los científicos se centraron en la reacción de autoensamblaje de dos fragmentos, que se denominaron provisionalmente WXY y Z, donde W, X, Y y Z representan regiones separadas de la ribozima de aproximadamente 50 nucleótidos de longitud (Fig. 1). En el sitio W, en el extremo frontal de la molécula de ARN, se encuentra uno de los tripletes,que participa en el inicio del autoensamblaje y se denomina "secuencia de guía interna" (IGS). Al final de WXY, hay un triplete etiqueta que, al interactuar con IGS, forma un fuerte enlace covalente con el fragmento Z.
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Los investigadores crearon diferentes variantes (genotipos) de fragmentos WXY cambiando los nucleótidos ubicados en el medio del IGS y los tripletes de etiquetas (nucleótidos M y N, respectivamente). Dado que las moléculas de ARN suelen estar formadas por solo cuatro tipos de nucleótidos, existen 16 variantes de este tipo. Por ejemplo, uno de los genotipos puede ser 5'-GGG-WXY-CAU-3 'y el otro 5'-GCG-WXY-CUU-3'. Todas estas variantes de moléculas pueden competir entre sí, formando varias redes metabólicas, en las que se requiere un recurso común, la molécula Z, para restaurar una ribozima completa.
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La reacción entre diferentes fragmentos de la Azo ribozima para formar una molécula completa.
Imagen: Jessica AM Yeates et al. Departamento de Química, Universidad Estatal de Portland.
En sus experimentos, los científicos probaron primero la capacidad de cada genotipo para autoensamblarse por separado. Cuando M y N forman pares de Watson-Crick (es decir, de acuerdo con el principio de complementariedad, A - U, C - G), la tasa de autoensamblaje de ribozimas se vuelve más alta que para otros tipos de pares. Luego, los investigadores simularon un ambiente cálido de "estanque pequeño" en el que varias moléculas prebióticas interactúan entre sí para obtener beneficios entre sí y acelerar la autoorganización. Los bioquímicos rastrearon el comportamiento de los genotipos emparejados entre sí, en total, los científicos estudiaron 120 pares, que consisten en dos variantes WXY diferentes. Midieron la velocidad de cada reacción que tuvo lugar entre las moléculas de los dos genotipos WXY y los fragmentos Z dentro de tubos separados durante 30 minutos.
Interacción entre secuencias de diferentes fragmentos de ribozimas mediante enlaces de hidrógeno
Imagen: Jessica AM Yeates et al. Departamento de Química, Universidad Estatal de Portland
Al combinar los resultados de ambas etapas del experimento y al obtener las tasas de autoensamblaje cuando interactúan dos genotipos diferentes, los investigadores establecieron un experimento evolutivo. Se mezclaron pares de genotipos en proporciones iguales, se les proporcionaron fragmentos Z y se hicieron reaccionar entre sí durante cinco minutos. Durante este tiempo, los científicos tomaron muestras del 10 por ciento de la solución en un nuevo tubo de ensayo, que contenía más WXY sin reaccionar de cada genotipo y fragmentos Z. Los científicos rastrearon las proporciones de cada genotipo WXYZ durante ocho de esas transferencias. Esto hizo posible estimar el equivalente químico del éxito evolutivo de las ribozimas durante generaciones, que se observó como una "explosión", es decir, un fuerte aumento en la tasa de autoensamblaje de ARN. En un experimento evolutivo, los biólogos estudiaron la interacción de siete pares de ribozimas.
A partir de todos los experimentos de laboratorio, los científicos han derivado un modelo matemático de ecuaciones diferenciales que tienen en cuenta la tasa de autoensamblaje de genotipos con o sin la presencia de otros genotipos. Este modelo se convirtió en la base de una nueva teoría de juegos evolutiva, que define varios comportamientos de las moléculas de ARN. En un caso, llamado "Dominancia", uno de los genotipos es siempre más común que el otro, mientras que su tasa de autoensamblaje siempre supera la velocidad del competidor. En el otro caso - "Cooperación" - ambos genotipos que interactúan entre sí se benefician de la "cooperación", y la velocidad de su autoensamblaje supera la que tendrían por separado. El "escenario egoísta", exactamente lo contrario de la "cooperación", significa que cada ribozima individualmente recibe más que cuando interactúa con otra persona. Y finalmenteen "Contra-dominancia", el genotipo con una baja tasa de autoensamblaje de repente comienza a ocurrir con más frecuencia que su competidor.
Este estudio no tiene como objetivo probar directamente la hipótesis del mundo del ARN, pero representa otra pieza en el rompecabezas de la comprensión científica de la evolución prebiótica. Se demostró por primera vez que las propiedades enzimáticas de moléculas individuales pueden mejorarse en presencia de otras moléculas que difieren en solo uno o dos nucleótidos. En la gigantesca solución que eran los océanos de la tierra en los albores de la vida, estas moléculas competían entre sí por sustratos, cooperaban e intensificaban su acción. A partir de esto, ya se puede suponer por qué los compuestos orgánicos complejos buscaron unirse en sistemas que son prototipos de las primeras células.
Alexander Enikeev
