Los científicos de la Universidad de Cambridge han recibido nueva evidencia a favor de la hipótesis del mundo del ARN. Resultó que las pequeñas cadenas de aminoácidos, cuando se combinan con ARN, mejoran sus propiedades catalíticas, lo que les permite volverse menos dependientes de los iones tóxicos. Y esta es una condición necesaria para la formación de las primeras células. "Lenta.ru" habla sobre el trabajo publicado en la revista Nature.
Según la hipótesis del mundo del ARN, la vida surgió de un sistema biológico simple en el que no había ADN ni moléculas de proteínas. Consistía en complejos de ARN capaces no solo de almacenar información genética, sino también de catalizar reacciones químicas (en este caso, se denominaron ribozimas). En otras palabras, combinaron las funciones del ADN y las enzimas. Luego, la combinación de ARN con péptidos y ácido desoxirribonucleico condujo a la aparición de organismos unicelulares. Sin embargo, surge la pregunta: ¿cuál fue el beneficio de la interacción entre el mundo del ARN y las proteínas?
Se cree que las ribozimas, llamadas polimerasas de ARN, constituyen la mayor parte del mundo del ARN. Eran replicadores, objetos capaces de autorreplicarse. Los recursos para esto fueron nucleótidos en el caldo primario. Al principio, las ribozimas tenían dificultades para copiarse a sí mismas porque sus habilidades catalíticas no estaban desarrolladas. Cometieron errores, que resultaron en ribozimas con mutaciones. Estos cambios podrían privar a la ARN polimerasa de la capacidad de catalizar; sin embargo, en algunos casos, esta cualidad, por el contrario, mejoró. Con el tiempo, las ribozimas se reprodujeron con mayor rapidez y precisión, se volvieron más numerosas y ganaron la competencia por los recursos.
Por tanto, las ribozimas eran los genomas primarios, ya que almacenaban información genética sobre su propia secuencia. Posteriormente, se encapsularon dentro de partículas formadas por membranas lipídicas, lo que condujo a la formación de la primera protocélula. Los científicos pueden sintetizar análogos de la ARN polimerasa ribozima, que catalizan la síntesis de otras ribozimas, o incluso copian secuencias cortas de ribonucleótidos. Sin embargo, todavía no es posible obtener un replicador de ribozima.
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Ribosoma Thermus thermophilus
Imagen: dominio público / Wikimedia
También hay otro problema. Las ribozimas sintetizadas en los laboratorios son activas solo a concentraciones muy altas de iones magnesio, que destruyen las membranas lipídicas. Esto significa que existe una incompatibilidad fundamental entre las polimerasas de ARN ribonucleico y la formación de protoceldas.
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La situación se salva por el hecho de que las moléculas de ARN no se han aislado de muchos otros compuestos químicos, como los péptidos. Las ribozimas podrían cooperar con las secuencias de aminoácidos, lo que afectó su función. Esto también está respaldado por el hecho de que la actividad de las ribozimas, como los espliceosomas (cortan los intrones del ARN mensajero en maduración), los ribosomas (que participan en la síntesis de proteínas) y la ribonucleasa P (catalizan la degradación del ARN) dependen de proteínas relacionadas. La investigación ha demostrado que ciertas proteínas que se unen a las ribozimas provocan cambios en su estructura y función secundarias. Así, en el caso de las ribonucleasas P, las proteínas pueden reducir la concentración de iones magnesio necesaria para su actividad. Teniendo esto en cuenta, los científicos decidieron averiguar si los péptidos podrían afectar la función de las ribozimas de la ARN polimerasa de manera similar, reduciendo su dependencia del magnesio.
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Para responder a esta pregunta, es necesario elegir no ninguna proteína, sino solo aquellas que alguna vez interactuaron con las ribozimas del mundo del ARN. Los científicos se centraron en la estructura de los ribosomas, que son una especie de reliquia molecular. Los resultados de la investigación indican que los ribosomas en su forma moderna ya estaban presentes en LUCA, el ancestro común de todas las formas de vida modernas.
La estructura de las subunidades ribosómicas de Thermus thermophilus
Imagen: Philipp Holliger / Cambridge
En la estructura del ribosoma, formado por proteínas, ácidos ribonucleicos e iones, se registra su evolución. Por tanto, la base de la gran subunidad ribosómica está enriquecida con iones magnesio. Gradualmente, se cubrió de módulos adicionales en los que los iones fueron reemplazados por péptidos. Según los científicos, la relación entre las ribozimas y las cadenas de aminoácidos refleja la historia evolutiva del mundo del ARN y su transición al mundo del ARN-péptido. Por eso se analizó el efecto de los péptidos de los ribosomas, considerados las secuencias de proteínas más antiguas de la Tierra.
Los investigadores identificaron múltiples péptidos de ambas subunidades de ribosomas de la bacteria Thermus thermophilus, que mejoraron la actividad de la ARN polimerasa Z ribozima, que replica las moléculas de ARN.
Imagen de microscopía de fluorescencia de vesículas de membrana
Imagen: Laboratorio de Biología Molecular MRC / Cambridge / Reino Unido
Sin embargo, el efecto más significativo fue poseído por el decapéptido de lisina homopolimérico (K10), una secuencia de aminoácidos de diez moléculas de lisina. Apoyó las funciones de las ribozimas a bajas concentraciones de iones magnesio, formando un complejo péptido-ribozima. Los científicos han sugerido que esto se debe a la estabilización de intermedios en el ciclo catalítico.
Para probar si este péptido podría promover la actividad de las ribozimas dentro del compartimento de la membrana, los investigadores realizaron un experimento. Se obtuvieron vesículas estables, constituidas por fosfolípidos y diacilgliceroles, en cuyo interior se encapsuló el ARN. A una concentración de iones magnesio de 10 milimoles (seguros para la membrana) y en presencia de K10, se observó síntesis de ARN catalizada por ribozimas. Sin embargo, en ausencia de magnesio, la síntesis no se produjo.
Esto indica que los péptidos sí permitieron que las ribozimas llevaran a cabo actividad catalítica a bajas concentraciones de iones tóxicos. Como resultado, disminuyó la dependencia de las ARN polimerasas de las moléculas inorgánicas, lo que facilitó su evolución y, en última instancia, la evolución de las células.
Alexander Enikeev
