El origen de la vida

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Idea abstracta del origen de la vida
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Nuevos hallazgos avalan la teoría del origen de la vida basada en un híbrido ARN-proteína.

Para entender el contenido de esta publicación tenemos que empezar aclarando algunos conceptos básicos. Así pues, comencemos por aclarar las diferencias entre el ácido desoxirribonucleico (ADN) y el ácido ribonucleico (ARN). Básicamente el ADN es como una gran enciclopedia o manual de instrucciones para construir las proteínas, que son las que mayoritariamente llevan a cabo las funciones biológicas en nuestro cuerpo. Pero como la información en esa enciclopedia es inmensa, y debe leerse de forma ordenada para que no ocurran errores de interpretación, necesitamos hacer “fotocopias” de aquellas páginas o capítulos que se necesiten en cada momento. Es aquí donde participa el ARN. Hay múltiples tipos de ARN, pero quizá el más importante sea el llamado ARN mensajero, que debe su nombre a que es el intermediario entre el ADN y las proteínas. Las moléculas de ARN mensajero son esas fotocopias de la enciclopedia de ADN que llevan la información contenida en éste hasta los lugares donde se sintetizan las proteínas. Esta explicación nos va a ser muy útil para entender mejor la noticia que hoy os traemos.

Hay múltiples tipos de ARN, pero quizá el más importante sea el llamado ARN mensajero, que debe su nombre a que es el intermediario entre el ADN y las proteínas.

Esta noticia está relacionada con uno de los temas que más cuestiones provoca como es el del origen de la vida. La abiogénesis, como se conoce al proceso natural mediante el cual se originó la vida a partir de la no existencia de esta, es decir, partiendo de materia inerte, como simples compuestos orgánicos (compuestos químicos que contienen carbono), es un tema muy complejo y difícil de estudiar. De hecho, ha generado en la comunidad científica un campo de estudio especializado cuyo objetivo es dilucidar cómo y cuándo surgió la vida en la Tierra. Tengamos en cuenta que, según la opinión más extendida en el ámbito científico, la vida comenzó su existencia en algún momento del período comprendido entre hace 4410 millones de años (cuando se dieron las condiciones para que el vapor de agua se condensara) y entre 4280 y 3770 millones (cuando aparecieron los primeros indicios de vida registrados). En aquella época las condiciones tanto atmosféricas como geológicas eran totalmente diferentes a las de hoy en día y reproducirlas para estudiar los posibles procesos que tuvieron lugar es muy complicado. Aun así, a lo largo del siglo XX, han ido surgiendo teorías sobre el origen de la vida cada vez más elaboradas. Hasta hace unos años, la mayoría de ellas coincidía en que “la esencia de la vida es una sustancia capaz de catalizar reacciones y al mismo tiempo ser capaz de autorreplicarse”, es decir, que el origen de la vida ha de estar relacionado con la formación del ADN. Esta serie de teorías surgieron y cogieron gran impulso inmediatamente después de que en 1953 James Watson y Francis Crick propusieran el modelo de la doble hélice de ADN. Estas teorías basadas en el ADN como elemento fundamental para el origen de la vida se denominan como de «genes primero».

Hasta hace unos años, la mayoría de las teorías sobre el origen de la vida coincidía en que “la esencia de la vida es una sustancia capaz de catalizar reacciones y al mismo tiempo ser capaz de autorreplicarse”, es decir, que el origen de la vida ha de estar relacionado con la formación del ADN.

Sin embargo, estas teorías de “genes primero” rivalizaron desde casi el principio con otras alternativas, como las del “metabolismo primero” o la del “ARN primero”, que han ido ganando adeptos en los últimos años. A su vez, teorías de híbridas como las de “ARN y ADN” o “ARN y proteínas” también han ido ganando peso sobre todo en la última década. Es, de hecho, esta última la que nos ocupa hoy. Y es que un estudio recientemente publicado en la revista Nature asegura que la estructura que une los aminoácidos sugiere que los primeros organismos podrían haberse basado en una mezcla de proteínas y ARN. Este hallazgo tiene, según la comunidad científica, una importancia capital.

El ácido ribonucleico o ARN es un ácido presente en todas las células vivas y que tiene similitudes estructurales con el ADN. Sin embargo, a diferencia del ADN, es más frecuente que el ARN esté formado por una única cadena mientras que el ADN está formado por la famosa doble cadena. El ARN se puede definir como la molécula formada por una cadena simple de ribonucleótidos, cada uno de ellos formado por ribosa (un azúcar), un fosfato (compuesto químico formado por un átomo central de fósforo) y una de las cuatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, citosina y uracilo (las famosas letras A, G, C y U que definen nuestro código genético). Tanto el ácido desoxirribonucleico (ADN) como el ácido ribonucleico (ARN) son ácidos nucleicos. Estructuralmente son polímeros formados por la unión de moléculas individuales llamadas monómeros. Estos monómeros en el caso de los ácidos nucleicos se denominan nucleótidos. Estos nucleótidos están formados por tres componentes: bases nitrogenadas, pentosa y grupos fosfato. A su vez, definimos los nucleósidos como la unión de la pentosa y una base nitrogenada de tal forma que un nucleótido es un grupo fosfato unido a un nucleósido. Muchas veces, los investigadores se refieren a los nucleósidos que forman el ARN y no a los nucleótidos (como veréis después) así que es importante conocer esta definición.

Estructura de los nucleótidos
Estructura de los nucleótidos
Diferencia entre nucleótido y nucleósido
Diferencia entre nucleótido y nucleósido

El estudio demuestra que las moléculas de ARN pueden unir cadenas cortas de aminoácidos. Los aminoácidos son unas moléculas que se unen en cadena para formar proteínas. Podría decirse que son el ladrillo que construye las proteínas. Desde un punto de vista químico, un aminoácido es un compuesto orgánico que contiene un grupo funcional amino (-NH2) y ácido carboxílico (-COOH), de ahí el nombre de aminoácido. Pues bien, según el estudio, el ARN sería capaz de unir pequeñas cadenas de aminoácidos que serían los precursores de las proteínas con cadenas más largas. Estos hallazgos vienen a significar una variación respecto a la hipótesis del “mundo del ARN” o “ARN primero”, la cual propone que antes de la evolución del ADN y las proteínas que codifica, los primeros organismos se basaban en hebras de ARN, una molécula que puede almacenar información genética y actuar como catalizador de reacciones químicas.

Los aminoácidos son unas moléculas que se unen en cadena para formar proteínas. Podría decirse que son el ladrillo que construye las proteínas.

Este descubrimiento abre nuevas vías en la búsqueda de la evolución química temprana de la vida. Según la teoría estándar del ARN o “ARN primero”, la vida podría haber existido como hebras de proto-ARN complejas que podían copiarse a sí mismas y competir con otras hebras distintas. El ARN tiene la capacidad de almacenar, transmitir y duplicar la información genética de la misma forma que lo hace el ADN. A su vez, el ARN puede actuar también como una enzima. Una enzima es un catalizador biológico. Los catalizadores son sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. No posibilitan las reacciones imposibles, sino que solamente aceleran las que espontáneamente podrían producirse. Ello hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o acidez. Más tarde, estas “enzimas de ARN” podrían haber desarrollado la capacidad de construir proteínas y, en última instancia, transferir su información genética al ADN. El punto débil de esta teoría es precisamente cómo podría suceder esto ya que los catalizadores hechos solo de ARN son mucho menos eficientes que las enzimas basadas en proteínas que se encuentran en todas las células vivas en la actualidad.

El esclarecimiento de este mecanismo fue precisamente lo que motivó las investigaciones del estudio. Los investigadores se inspiraron en el papel que desempeña el ARN en la forma en que todos los organismos modernos construyen proteínas: una hebra de ARN que codifica un gen (normalmente copiado de una secuencia de bases de ADN) pasa a través de una gran máquina molecular llamada ribosoma, que construye la proteína correspondiente aminoácido a aminoácido. A diferencia de la mayoría de las enzimas, el ribosoma en sí está hecho no solo de proteínas, sino también de segmentos de ARN, y estos tienen un papel importante en la síntesis de proteínas. Además, el ribosoma contiene versiones modificadas de los nucleósidos de ARN estándar que se han visto durante mucho tiempo como posibles vestigios de un caldo primordial (el caldo o sopa primordial es el nombre que se le da a la supuesta mezcla de sustancias que facilitaron las condiciones superficiales y atmosféricas para que pudiera haber vida en la Tierra, a partir de materiales inertes que eran los únicos pobladores del planeta en esos momentos).

El ARN tiene la capacidad de almacenar, transmitir y duplicar la información genética de la misma forma que lo hace el ADN.

Funcionamiento de un ribosoma
Funcionamiento de un ribosoma

Los investigadores construyeron una molécula de ARN sintético que incluía dos de estos nucleósidos modificados al unir dos piezas de ARN que se encuentran comúnmente en las células vivas. En el primero de los sitios exóticos, la molécula sintética podía unirse a un aminoácido, que luego se movía lateralmente para unirse al segundo nucleósido exótico adyacente. Luego, el equipo separó sus hebras de ARN originales y trajo una nueva, que llevaba su propio aminoácido. Éste estaba en la posición correcta para formar un fuerte enlace covalente con el aminoácido previamente unido a la segunda hebra. El proceso continuó paso a paso, desarrollando una cadena corta de aminoácidos, una miniproteína llamada péptido (un péptido es una cadena de aminoácidos (habitualmente de 2 a 50) más corta que los llamados polipéptidos (51 aminoácidos o más) que a su vez forman las proteínas cuando se unen en grupos de dos o más; cadena de polipéptidos = proteína), que creció unida al ARN. Este es un hallazgo muy importante no solo porque traza una nueva ruta para la formación de péptidos basados en ARN, sino porque también descubre un nuevo significado evolutivo para las bases modificadas de ARN que ocurren naturalmente. Los resultados apuntan a una función fundamental del ARN en los orígenes de la vida, pero no se requiere que ARN por sí solo se autorreplique. De este modo todo parece indicar que hay una relación entre los orígenes del ARN y los orígenes de las proteínas, de tal forma que su aparición no es independiente. Si esto es así, la teoría del mundo de ARN dejaría paso a la teoría híbrida del “mundo de proteínas y de ARN”.

Para demostrar que este es un origen plausible de la vida, los científicos deben completar varios pasos más. Los péptidos que se forman en el ARN del equipo están compuestos por una secuencia aleatoria de aminoácidos, en lugar de una determinada por la información almacenada en el ARN. Los investigadores argumentan que las estructuras de ARN más grandes podrían tener secciones que se pliegan en formas que “reconocen” aminoácidos específicos en sitios específicos, produciendo una estructura bien determinada. Y algunos de estos complejos híbridos de ARN-péptido podrían tener propiedades catalíticas y estar sujetos a la presión evolutiva para volverse más eficientes.

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