¿Cómo se las arregló la vida para juntar miríadas de partes? Como mínimo, las primeras formas de vida de la Tierra necesitaban una forma de almacenar y reproducir información. Solo entonces podrán hacer copias de sí mismos y difundirse por el mundo. Quizás la química jugó un papel mucho más importante en el origen de la vida de lo que se pensaba.
Una de las hipótesis más influyentes es que todo comenzó con ARN, una molécula que puede registrar registros genéticos y desencadenar reacciones químicas simultáneamente. La hipótesis del "mundo del ARN" se manifiesta de muchas formas, pero según la más tradicional, la vida comenzó con la formación de una molécula de ARN capaz de reproducirse. Sus descendientes desarrollaron la capacidad de realizar muchas tareas, como fabricar nuevos compuestos y almacenar energía. Con el tiempo, siguió una vida difícil.
Sin embargo, los científicos han descubierto que el ARN autorreplicante es sorprendentemente difícil de crear en el laboratorio. Lo han logrado, pero las moléculas candidatas fabricadas hasta la fecha solo pueden reproducir ARN de una determinada secuencia o longitud. Además, estas moléculas de ARN en sí mismas son bastante complejas, lo que plantea dudas sobre cómo podrían haberse formado por voluntad de un accidente químico.
Nick Hud, químico del Instituto de Tecnología de Georgia, y sus colegas decidieron ir más allá de la biología y estudiar el posible papel de la química en el origen de la vida. Quizás, antes del surgimiento de la biología, hubo una etapa preliminar de la proto-vida, en la que solo los procesos químicos crearon un "buffet" de ARN y moléculas similares al ARN. “Creo que hubo bastantes pasos que condujeron a un sistema autosuficiente que se reproducía a sí mismo”, dice Hud.
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En este escenario, varias moléculas similares al ARN podrían formarse espontáneamente, ayudando al caldo químico a inventar simultáneamente muchos de los detalles necesarios para el desarrollo de la vida. Las formas de proto-vida experimentaron con la ingeniería molecular primitiva, desglosándola pieza por pieza. Todo el sistema funcionó como un flechazo gigante. Fue solo cuando se estableció tal sistema que surgió el ARN autorreplicante.
En el corazón de la propuesta de Hud están los medios químicos para crear una variedad tan rica de proto-vida. Las simulaciones por computadora muestran que ciertas condiciones químicas pueden producir una colección diversa de moléculas similares al ARN. El equipo está probando actualmente esta idea con moléculas reales en el laboratorio y espera presentar los resultados pronto.
El grupo de Hud está allanando el camino para una serie de investigadores que desafían la hipótesis tradicional del mundo del ARN y su dependencia de la evolución biológica, más que química. En el modelo tradicional, se creó una nueva ingeniería molecular utilizando catalizadores biológicos, enzimas, como es el caso de las células modernas. Durante la etapa de proto-vida de Hud, se podrían formar y alterar miles de moléculas de ARN o similares a ARN utilizando medios puramente químicos. "La evolución química podría haber ayudado a comenzar la vida sin enzimas", dice Hud.
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Hud y sus colegas decidieron ir más allá y asumir que el ribosoma, la única pieza de ingeniería biológica presente en todos los seres vivos en la actualidad, proviene completamente de la química. Esta es una forma inusual de ver las cosas, ya que muchos creen que el ribosoma nació por biología.
Si el equipo de Hud puede crear formas de proto-vida en condiciones que podrían haber existido en la Tierra primitiva, se puede suponer que la evolución química puede haber jugado un papel mucho más importante en el origen de la vida de lo que esperaban los científicos. "La evolución darwiniana puede haber sido precedida por una forma más simple de evolución", dice Niels Lehman, bioquímico de la Universidad de Portland en Oregon.
Mundo predarwiniano
Cuando la mayoría piensa en la evolución, viene a la mente la evolución darwiniana, en la que los organismos compiten entre sí por recursos limitados y transmiten información genética a sus descendientes. Cada generación sufre correcciones genéticas y la descendencia más exitosa sobrevive para transmitir sus genes. Este modo de evolución prevalece en la vida moderna.
Karl Woese, el renombrado biólogo que nos dio el árbol de la vida moderno, creía que la era darwiniana fue precedida por una etapa temprana de la vida, gobernada por fuerzas evolutivas completamente diferentes. Woese creía que sería casi imposible que una sola célula tuviera todo lo que necesita para vivir. Por lo tanto, imaginó una rica variedad de moléculas involucradas en la existencia comunitaria. En lugar de competir entre sí, las células primitivas compartían innovaciones moleculares. Este caldo predarwiniano creó los ingredientes necesarios para la vida compleja, allanando el camino para la magnífica colección de animales que vemos hoy en la Tierra.
El modelo de Hud lleva la visión del tiempo predarwiniana de Woese aún más atrás en el tiempo, proporcionando a las células primitivas los medios químicos para crear diversidad molecular. Una forma de proto-vida podría idear una forma de crear los bloques que necesitaba para crearse a sí misma, otra podría encontrar una forma de obtener energía. Este modelo se diferencia de la hipótesis tradicional del mundo del ARN en su dependencia de la evolución química más que biológica.
En el mundo del ARN, las primeras moléculas de ARN se reprodujeron usando la enzima ribozima incorporada, que está compuesta de ARN. En el mundo de la protovida de Hud, esta tarea se llevó a cabo exclusivamente mediante métodos químicos. La historia comienza con una sopa química de moléculas similares al ARN. La mayoría eran cortas, ya que lo más probable es que las cadenas cortas se formaran espontáneamente, pero también podría haber moléculas complejas más largas. El modelo de Hud describe cómo se podrían reproducir moléculas más largas sin la ayuda de una enzima.
Hud cree que en el mundo prebiótico, el caldo de ARN primario pasó por ciclos regulares de calentamiento y enfriamiento y se volvió espeso y viscoso. El calor separó los pares de ARN ligados y la solución viscosa mantuvo las moléculas separadas por un tiempo. Mientras tanto, pequeños segmentos de ARN, de solo unos pocos caracteres de longitud, se unen a cada hebra larga. Estos pequeños segmentos se cosieron juntos gradualmente, formando una nueva hebra de ARN correspondiente a la hebra larga original. Entonces el ciclo comenzó de nuevo.
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Vías químicas de replicación del ARN
Con el tiempo, a medida que el caldo de una variedad de moléculas similares al ARN se expandió y creció, algunas de ellas adquirieron funciones simples como el metabolismo. Asimismo, las reacciones químicas puras podrían producir diversidad molecular para crear una cornucopia predarwiniana de proto-vida de Woese.
El grupo de Hud ha logrado completar las primeras etapas del proceso de reproducción en el laboratorio, aunque aún no han aprendido a pegar segmentos cortos sin recurrir a herramientas biológicas. Si pueden superar este obstáculo, crearán una forma universal de reproducir ARN.
Sin embargo, algunos estudiosos dudan de que la reproducción mediada químicamente sea lo suficientemente buena para reproducir el mundo predarwiniano que describe Hud. "No sé si creo eso", dice Paul Higgs, biofísico de la Universidad McMaster en Hamilton, Ontario, que estudia los orígenes de la vida. "Todo tiene que ser lo suficientemente rápido y preciso para crear coherencia". Es decir, este proceso debe producir nuevos ARN más rápido de lo que se destruyen y con la suficiente precisión para crear copias aproximadas de moléculas molde.
Los cambios químicos por sí solos no son suficientes para producir vida. El caldo de la proto-vida todavía necesitaba algún tipo de selección que asegurara que las moléculas beneficiosas prosperasen y se multiplicaran. En su modelo, el grupo de Hada sugiere que las protoenzimas más simples podrían haber surgido y extenderse, lo que comenzó a beneficiar a sus creadores y a la sociedad en general. Por ejemplo, una molécula de ARN que producía más componentes básicos se beneficiaba a sí misma y a sus vecinos al proporcionarles materias primas adicionales para la reproducción. Las simulaciones por computadora realizadas por el grupo de Hud mostraron que este tipo de molécula bien podría echar raíces. El que enriquece el caldo es muy útil.
Raíces ribosomales
Un posible atisbo del mundo predarwiniano se puede ver en el ribosoma, una pieza antigua de la maquinaria molecular que subyace a nuestro código genético. Es una enzima que traduce el ARN, que codifica información genética, en proteínas que llevan a cabo muchas reacciones químicas en nuestras células.
El núcleo del ribosoma está compuesto de ARN. Esto hace que el ribosoma sea único: la gran mayoría de las enzimas de nuestras células están formadas por proteínas. Tanto el núcleo ribosómico como el código genético son comunes a todos los seres vivos, lo que indica su existencia al comienzo de la evolución de la vida, posiblemente incluso antes de que se cruzara el umbral darwiniano.
Hud y su colega Lauren Williams, también de Georgia Tech, señalan que el ribosoma apoya su teoría del mundo químicamente definido. En un artículo publicado el año pasado, hicieron una declaración controvertida: el núcleo del ribosoma se creó a través de la evolución química. Y también sugirieron que apareció incluso antes de la aparición de la primera molécula de ARN autorreplicante. El núcleo ribosómico puede haber sido un experimento exitoso en la evolución química, dicen. Y después de echar raíces en el caldo predarwiniano, cruzó el umbral darwiniano y se convirtió en una parte importante de toda la vida.
Su argumento se basa en la relativa simplicidad del núcleo ribosómico, conocido formalmente como centro de peptidil transferasa (PTC). El trabajo del PTC es juntar aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas. A diferencia de las enzimas tradicionales, que aceleran las reacciones químicas mediante “ingeniosos trucos químicos”, funciona como desecante. Él persuade a dos aminoácidos para que se unan simplemente eliminando la molécula de agua. “Es una manera tan pobre de provocar una reacción”, dice Lehman. "Las enzimas proteicas generalmente se basan en estrategias químicas más poderosas".
Lehman señala que la sencillez probablemente precedió al poder en las primeras etapas de la vida. “Cuando piensas en el origen de la vida, primero debes pensar en la química simple; cualquier proceso de la química más simple probablemente sea antiguo, dice. "Creo que este es un argumento más convincente que el hecho de que ella pertenece a toda la vida".
A pesar de la fuerte evidencia, todavía es difícil imaginar cómo se pudo haber creado el núcleo ribosómico como resultado de la evolución química. Una enzima que hace más por sí misma, como un replicador de ARN en la hipótesis del mundo del ARN, crea automáticamente un ciclo cerrado, aumentando constantemente su propia productividad. Por el contrario, el núcleo ribosómico no produce más núcleos ribosómicos. Produce cadenas aleatorias de aminoácidos. No está claro cómo este proceso debería estimular la producción de más ribosomas.
Hud y sus colegas especulan que el ARN y las proteínas se desarrollaron en tándem, y quien descubrió cómo trabajar juntos sobrevivió. Esta idea carece de la sencillez del mundo del ARN, que postula la existencia de una única molécula capaz de codificar información y catalizar reacciones químicas simultáneamente. Pero Hud cree lo contrario: es la complejidad lo que agrega elegancia al surgimiento de la vida.
“Creo que siempre ha habido un énfasis excesivo en la simplicidad, que un polímero es mejor que dos”, dice. “Podría ser más fácil obtener reacciones específicas si los dos polímeros trabajan juntos. Puede haber sido más fácil para los polímeros trabajar juntos desde el principio.
Basado en materiales de Quanta Magazine
