- Primera parte: Cómo hacer una célula -
- Segunda parte: Una división en las filas de científicos -
- Cuarta parte: la energía de los protones -
- Quinta parte: entonces, ¿cómo se crea una célula? -
- Sexta parte: La Gran Unificación -
Entonces, después de la década de 1960, los científicos que intentaban comprender el origen de la vida se dividieron en tres grupos. Algunos de ellos estaban convencidos de que la vida comenzó con la formación de versiones primitivas de células biológicas. Otros creían que el sistema metabólico era el primer paso clave, mientras que otros se centraban en la importancia de la genética y la replicación. Este último grupo comenzó a descubrir cómo sería el primer replicador, asumiendo que estaba hecho de ARN.
Ya en la década de 1960, los científicos tenían motivos para creer que el ARN era la fuente de toda la vida.
En particular, el ARN puede hacer algo que el ADN no puede hacer. Es una molécula de una sola hebra, por lo que a diferencia del ADN rígido de doble hebra, se puede plegar en varias formas diferentes.
Similar al origami, el ARN plegable era generalmente similar en comportamiento a las proteínas. Las proteínas también son en su mayoría cadenas largas, solo de aminoácidos, no de nucleótidos, y esto les permite crear estructuras complejas.
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Esta es la clave de la capacidad más asombrosa de las proteínas. Algunos de ellos pueden acelerar o "catalizar" reacciones químicas. Estas proteínas se conocen como enzimas.
Se pueden encontrar muchas enzimas en los intestinos, donde descomponen moléculas complejas de los alimentos en tipos simples de azúcares que las células pueden utilizar. Sería imposible vivir sin enzimas.
Leslie Orgel y Frances Crick comenzaban a sospechar algo. Si el ARN puede plegarse como una proteína, ¿tal vez pueda formar enzimas? Si esto fuera cierto, entonces el ARN podría ser una molécula viviente original y universal, que almacena información, como lo hace el ADN ahora, y cataliza reacciones, como lo hacen algunas proteínas.
Fue una gran idea, pero en diez años no ha tenido ninguna prueba.
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Thomas Cech, 2007
Thomas Cech nació y se crió en Iowa. Cuando era niño, le fascinaban las rocas y los minerales. Y ya en la escuela secundaria, miró a la universidad local y llamó a las puertas de los geólogos con una solicitud para mostrar modelos de estructuras minerales.
Sin embargo, finalmente se convirtió en bioquímico y se centró en el ARN.
A principios de la década de 1980, Cech y sus colegas de la Universidad de Colorado en Boulder estudiaron el organismo unicelular Tetrahymena thermophila. Parte de su maquinaria celular incluye hebras de ARN. Cech descubrió que un solo segmento de ARN estaba separado de alguna manera del resto, como si hubiera sido cortado con tijeras.
Cuando los científicos eliminaron todas las enzimas y otras moléculas que podían actuar como tijeras moleculares, se siguió secretando ARN. Entonces encontraron la primera enzima de ARN: una pequeña porción de ARN que puede cortarse de la hebra larga de la que forma parte.
Cech publicó los resultados de su trabajo en 1982. Al año siguiente, otro grupo de científicos descubrió una segunda enzima de ARN, "ribozima" (abreviatura de "ácido ribonucleico" y "enzima", también conocida como enzima). El descubrimiento de dos enzimas de ARN una tras otra indicó que debe haber muchas más. Y así, la idea de comenzar la vida con ARN comenzó a parecer sólida.
Sin embargo, el nombre de esta idea fue dado por Walter Gilbert de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts. Como físico fascinado por la biología molecular, Gilbert también se convirtió en uno de los primeros defensores de la secuenciación del genoma humano.
En 1986, Gilbert escribió en Nature que la vida comenzó en el "mundo del ARN".
La primera etapa de la evolución, argumentó Gilbert, consistió en "moléculas de ARN que realizan la actividad catalítica necesaria para ensamblarse en un caldo de nucleótidos". Al copiar y pegar diferentes bits de ARN juntos, las moléculas de ARN podrían crear secuencias aún más útiles. Finalmente, encontraron una forma de crear proteínas y enzimas proteicas que resultaron tan útiles que suplantaron en gran medida las versiones de ARN y dieron lugar a la vida que tenemos.
RNA World es una forma elegante de reconstruir la vida compleja desde cero. En lugar de depender de la formación simultánea de docenas de moléculas biológicas a partir de una sopa primordial, una molécula "una para todos" podría hacer el trabajo.
En 2000, la hipótesis del mundo del ARN recibió una gran cantidad de evidencia de apoyo.
El ribosoma produce proteínas.
Thomas Steitz pasó 30 años estudiando la estructura de moléculas en células vivas. En la década de 1990, se dedicó a su tarea más seria: averiguar la estructura del ribosoma.
Hay un ribosoma en cada célula viva. Esta enorme molécula lee las instrucciones del ARN y organiza los aminoácidos para producir proteínas. Los ribosomas de sus células han construido la mayor parte de su cuerpo.
Se sabía que el ribosoma contenía ARN. Pero en 2000, el equipo de Steitz produjo una imagen detallada de la estructura del ribosoma, que mostró que el ARN era el núcleo catalítico del ribosoma.
Esto fue importante porque el ribosoma es fundamentalmente importante para la vida y muy antiguo al mismo tiempo. El hecho de que esta máquina esencial se construyera sobre ARN hizo que la hipótesis del mundo del ARN fuera aún más plausible.
Los partidarios del "mundo del ARN" triunfaron, y en 2009 Steitz recibió una parte del Premio Nobel. Pero desde entonces, los científicos han comenzado a dudar. Desde el principio, la idea de un mundo de ARN tuvo dos problemas. ¿Podría el ARN realizar todas las funciones de la vida por sí solo? ¿Podría haberse formado en la Tierra primitiva?
Han pasado 30 años desde que Gilbert sentó las bases para el "mundo del ARN", y todavía no hemos encontrado pruebas sólidas de que el ARN pueda hacer todo lo que la teoría requiere. Es una pequeña molécula hábil, pero es posible que no pueda hacer todo.
Una cosa estaba clara. Si la vida comenzaba con una molécula de ARN, el ARN tenía que poder hacer copias de sí mismo: tenía que ser autorreplicante, autorreplicante.
Pero ninguno de los ARN conocidos puede replicarse. También lo es el ADN. Necesitan un batallón de enzimas y otras moléculas para crear una copia o un fragmento de ARN o ADN.
Por tanto, a finales de los 80, varios científicos iniciaron una búsqueda muy quijotesca. Decidieron crear un ARN autorreplicante por su cuenta.
Jack Shostak
Jack Shostak, de la Escuela de Medicina de Harvard, fue uno de los primeros en participar. Cuando era niño, estaba tan fascinado por la química que abrió un laboratorio en el sótano de su casa. Descuidando su propia seguridad, una vez incluso provocó una explosión, después de lo cual un tubo de vidrio se atascó en el techo.
A principios de la década de 1980, Shostak ayudó a mostrar cómo los genes se protegen del proceso de envejecimiento. Este estudio bastante temprano finalmente le valió una parte del Premio Nobel. Sin embargo, muy pronto admiró las enzimas de ARN de Cech. "Pensé que este trabajo era fantástico", dice. "En principio, es muy posible que el ARN catalice su propia reproducción".
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En 1988, Cech descubrió una enzima de ARN que puede construir una molécula de ARN corta de 10 nucleótidos de largo. Shostak decidió mejorar el descubrimiento produciendo nuevas enzimas de ARN en el laboratorio. Su equipo creó un conjunto de secuencias aleatorias y las probó para ver si alguna de ellas tenía habilidades catalíticas. Luego tomaron esas secuencias, las reelaboraron y volvieron a verificar.
Después de 10 rondas de tales acciones, Shostak produjo una enzima de ARN que aceleró la reacción siete millones de veces. Demostró que las enzimas de ARN pueden ser realmente poderosas. Pero su enzima no podía copiarse a sí misma, ni siquiera un poco. Shostak estaba en un callejón sin salida.
Quizás la vida no empezó con ARN
El siguiente gran paso lo dio en 2001 el ex alumno de Shostak, David Bartel, del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge. Bartel fabricó la enzima de ARN R18 que podría agregar nuevos nucleótidos a la cadena de ARN basándose en una plantilla existente. En otras palabras, no estaba agregando nucleótidos aleatorios: estaba copiando la secuencia correctamente.
Si bien todavía no era un autorreplicador, ya era algo similar. R18 consistía en una cadena de 189 nucleótidos y podía agregar de manera confiable 11 nucleótidos a la cadena: 6% de su propia longitud. Se esperaba que algunos ajustes le permitieran construir una cadena de 189 nucleótidos, como él mismo.
Lo mejor lo hizo Philip Holliger en 2011 del Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge. Su equipo creó un R18 modificado llamado tC19Z que copiaba secuencias de hasta 95 nucleótidos de longitud. Eso es el 48% de su propia longitud: más que el R18, pero lejos del 100%.
Gerald Joyce y Tracy Lincoln del Instituto Scripps en La Jolla, California propusieron un enfoque alternativo. En 2009, crearon una enzima de ARN que se replica indirectamente. Su enzima combina dos piezas cortas de ARN para crear una segunda enzima. Luego combina las otras dos piezas de ARN para recrear la enzima original.
Dada la disponibilidad de materias primas, este ciclo simple puede continuar indefinidamente. Pero las enzimas solo funcionaron cuando se les dieron las cadenas de ARN correctas, lo que Joyce y Lincoln tuvieron que hacer.
Para muchos científicos que son escépticos del "mundo del ARN", la falta de ARN autorreplicante es un problema fatal con esta hipótesis. El ARN, aparentemente, simplemente no puede tomar y comenzar la vida.
El problema también se vio agravado por la incapacidad de los químicos para crear ARN desde cero. Parecería una molécula simple en comparación con el ADN, pero es extremadamente difícil fabricarla.
El problema radica en el azúcar y la base que componen cada nucleótido. Puede hacer cada uno de ellos por separado, pero se niegan obstinadamente a involucrarse. A principios de la década de 1990, este problema se había hecho evidente. Muchos biólogos han sospechado que la hipótesis del "mundo del ARN", a pesar de todo su atractivo, puede no ser del todo correcta.
En cambio, puede haber habido algún otro tipo de molécula en la Tierra primitiva: algo más simple que el ARN, que en realidad podría tomarse de la sopa primordial y comenzar a reproducirse. Primero podría haber esta molécula, que luego condujo a ARN, ADN, etc.
El ADN difícilmente podría haberse formado en la Tierra primitiva
En 1991, Peter Nielsen de la Universidad de Copenhague en Dinamarca presentó un candidato para replicadores primarios.
Básicamente, era una versión muy modificada del ADN. Nielsen mantuvo las mismas bases (A, T, C y G) que se encuentran en el ADN, pero hizo la columna vertebral a partir de moléculas llamadas poliamidas, en lugar de azúcares, que también se encuentran en el ADN. Llamó a la nueva molécula ácido nucleico de poliamida, o PNA. De una manera incomprensible, desde entonces se lo conoce como ácido nucleico peptídico.
PNA nunca se ha encontrado en la naturaleza. Pero se comporta casi como el ADN. La hebra de PNA puede incluso ocupar el lugar de una de las hebras de la molécula de ADN, y las bases se emparejan como de costumbre. Además, el PNA puede girar en una doble hélice, como el ADN.
Stanley Miller estaba intrigado. Profundamente escéptico del mundo del ARN, sospechaba que el PNA era un candidato mucho más probable para el primer material genético.
En 2000, presentó pruebas sólidas. Para entonces, ya cumplía 70 años y había sufrido varios accidentes cerebrovasculares que podrían enviarlo a un hogar de ancianos, pero no se rindió. Repitió su experimento clásico, que discutimos en el primer capítulo, esta vez usando metano, nitrógeno, amoníaco y agua, y obtuvo un PNA a base de poliamida.
Esto sugirió que el PNA, a diferencia del ARN, bien podría haberse formado en la Tierra primitiva.
Molécula de ácido nucleico de treosa
Otros químicos han creado sus propios ácidos nucleicos alternativos.
En 2000, Albert Eschenmoser fabricó tres ácidos nucleicos (TNK). Es el mismo ADN, pero con un azúcar diferente en la base. Las cadenas de TNC pueden formar una doble hélice y la información se copia en ambas direcciones entre el ARN y el TNK.
Además, las TNC pueden plegarse en formas complejas e incluso unirse a proteínas. Esto sugiere que TNK puede actuar como una enzima, como el ARN.
En 2005, Eric Megges fabricó un ácido nucleico glicólico que puede formar estructuras helicoidales.
Cada uno de estos ácidos nucleicos alternativos tiene sus propios defensores. Pero no se pueden encontrar rastros de ellos en la naturaleza, por lo que si la primera vida realmente los usó, en algún momento tuvo que abandonarlos por completo en favor del ARN y el ADN. Esto puede ser cierto, pero no hay evidencia.
Como resultado, a mediados de la década de 2000, los partidarios del mundo del ARN se encontraron en un dilema.
Por un lado, existían enzimas de ARN e incluían una de las partes más importantes de la ingeniería biológica, el ribosoma. Bueno.
Pero no se encontró ARN autorreplicante y nadie pudo entender cómo se formó el ARN en la sopa primordial. Los ácidos nucleicos alternativos podrían resolver este último problema, pero no hay evidencia de que existieran en la naturaleza. No muy bueno.
La conclusión obvia fue que el "mundo del ARN", a pesar de su atractivo, resultó ser un mito.
Mientras tanto, una teoría diferente ganó impulso gradualmente desde la década de 1980. Sus partidarios argumentan que la vida no comenzó con ARN, ADN u otro material genético. En cambio, comenzó con un mecanismo para aprovechar la energía.
La vida necesita energía para mantenerse viva
ILYA KHEL
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