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El Origen de la Vida en la Tierra

Por Leslie E. Orgel

La creciente evidencia apoya la idea de que la aparición de ARN catalítico fue un paso crucial muy al principio del origen de la vida. La manera como el ARN logró sintetizarse, permanece desconocido

Cuando la tierra se formó hace 4 600 millones de años, era un lugar inhóspito. Mil millones de años después estaba repleto de algas verde-azules (cianobacterias) ¿Cómo llegaron ahí? ¿Cómo, en poco tiempo, comenzó la vida? Esta pregunta, por largo tiempo sin respuesta, continúa generando fascinantes conjeturas e ingeniosos experimentos, muchos de los cuales centran la posibilidad de que el advenimiento del ARN auto replicante fue un piedra roseta en el camino a la vida.

Antes de la primera mitad del siglo XVII, la mayoría de la gente creía que dios había creado a la raza humana y otros organismos superiores y que los insectos, ranas y otras pequeñas criaturas podían convertirse espontáneamente a partir de lodo o materia en descomposición. En los siguientes dos siglos estas ideas fueron sometidas a juicios cada vez más severos y para la mitad del siglo XIX dos importantes avances científicos sentaron las bases para las discusiones modernas acerca del origen de la vida.

Uno de estos avances fue el de Louis Pasteur en el que desacreditó el concepto de la generación espontánea. Pasteur ofreció pruebas de que incluso las bacterias y otros microorganismos provienen de padres que semejantes a ellos. De esta contribución surgió una intrigante pregunta ¿Cómo formó la primera generación de cada especie?

El segundo avance, la teoría de la selección natural, sugirió una respuesta. De acuerdo con esta propuesta, establecida por Charles Darwin y Alfred Russel Wallace, algunas de las diferencias entre los individuos en una población son hereditarias. Cuando el ambiente cambia, los individuos que comparten rasgos que proveen una mejor adaptación al nuevo ambiente, son los mismos que tienen mayor éxito reproductivo. En consecuencia, la siguiente generación contiene un incremento en el porcentaje de individuos bien adaptados mostrando las características favorables. En otras palabras, las presiones ambientales seleccionan rasgos adaptativos para la perpetuación.

Repetida generación tras generación, la selección natural puede llevarnos a la evolución de organismos complejos a partir de organismos simples. La teoría implica entonces que todas las formás de vida actuales pudieron haber evolucionado a partir de un sencillo y simple progenitor, al cual nos referimos como el último ancestro en común de la vida. (Nos referimos a él como el último y no como el primero, debido a que es el último que compartimos todos los seres vivos actuales, ya que antes debieron haber existido ancestros más distantes).

Figura1.Hebras de ARN

Figura 1. Hebras de ARN (líneas ramificadas) siendo sintetizadas sobre ADN (Línea vertical). En la actualidad, la información generalmente fluye del ADN al ARN, pero muchos investigadores piensan que alguna forma de ARN evolucionó antes que el ADN. Esta idea es central en la teoría del Mundo ARN de cómo inició la vida, que afirma que el ARN hizo posible la evolución del ADN y de la vida en sí.

Darwin, doblándose a las ideas religiosas de su tiempo, escribió en el último párrafo de la Décima edición del "Origen de las Especies" que el creador, originalmente formó la vida en una o varias formás y de ahí la evolución se hizo cargo. En correspondencia privada, sin embargo, él sugiere que la vida pudo haberse originado a través de la química, “en alguna tibia y pequeña fosa, con varios tipos de amonia y sales fosfóricas, luz, calor, electricidad, etc. presentes”. Gran parte del siglo XX, la investigación acerca del origen de la vida se dirigió a rescatar la hipótesis privada de Darwin (para dilucidar cómo, ahora sin intervención divina, la interacción espontánea de las moléculas relativamente simples disueltas en lagos y mares de el mundo prebiótico, pudieron haber producido al último ancestro común de la vida).

Encontrar solución a este problema requiere conocer algo sobre las características del ancestro. Obviamente, tiene que poseer información genética (lo que significa que tiene instrucciones heredables para funcionar y reproducirse,) y los medios para replicarse y llevar esas instrucciones. De otra manera no habría dejado descendientes. También, su sistema para replicar su material genético debía permitir alguna variación aleatoria en las características heredables de la descendencia para que los nuevos rasgos pudieran ser seleccionados y llevar a la conformación de diferentes especies.

Los científicos han planteado exitosamente los caracteres del ancestro, identificando cosas en común con organismos contemporáneos. Uno puede inferir que las características intricadas presentes en todas las variedades actuales de la vida también aparecieron a partir de ese ancestro en común. Después de todo, es casi imposible que semejantes rasgos universales hayan evolucionado por separado.

Una aparente cosa en común es que todos los seres vivientes están hechos de compuestos orgánicos similares (ricos en carbono). Otra propiedad compartida es que las proteínas encontradas en organismos actuales están moldeadas de un total de unos 20 aminoácidos. Estas proteínas incluyen enzimás (sustancias que realizan catálisis biológica), que son esenciales para el desarrollo, supervivencia y reproducción.

Más aún, los organismos contemporáneos contienen su información genética en forma de ácidos nucleicos (ARN y ADN) y usan esencialmente el mismo código genético. Este código especifica la secuencia de aminoácidos de todas las proteínas que necesita cada organismo. Más precisamente, las instrucciones toman la forma de secuencias específicas de nucleótidos, los bloque de construcción de los ácidos nucleicos. Estos nucleótidos consisten de un azúcar (desoxirribosa en ADN y ribosa en ARN), un grupo fosfato y una base nitrogenada. En el ADN las bases nitrogenadas son adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T). En el ARN el uracilo (U) reemplaza a la timina. Las basas constituyen el alfabeto, y los tripletes de bases, las palabras. Por ejemplo, el triplete CUU en ARN instruye a la célula a añadir el aminoácido leucina a una cadena creciente de proteína.

De estos descubrimientos podemos inferir que nuestro último ancestro en común almacenaba la información genética en ácidos nucleicos que especificaban la composición de todas las proteínas necesarias. También dependía de las proteínas el dirigir muchas de las reacciones requeridas para la auto-perpetuación. He aquí, el problema central de la investigación del origen de la vida. ¿Qué serie de reacciones químicas hicieron posible este sistema interdependiente de ácidos nucleicos y proteínas?

Cualquiera que trate de resolver este rompecabezas inmediatamente se encuentra con una paradoja. Actualmente los ácidos nucleicos son sintetizados solo con la ayuda de proteínas, y las proteínas son sintetizadas solo si su correspondiente secuencia nucleotídica está presente. Es extremadamente improbable que proteínas y ácidos nucleicos, de los cuales ambos son complejos estructuralmente interdependientes, emergieran espontáneamente en el mismo espacio al mismo tiempo. Sin embargo también parece imposible tener uno sin el otro. Y entonces, a primera vista, uno puede tener que concluir que la vida nunca pudo, de hecho, haberse originado de manera química.

A finales de la década de 1960, Carl R. Woese de la Universidad de Illinois, Francis Crick, entonces en el Consejo de Investigación Médica en Inglaterra, y Leslie E. Orgel del Instituto Salk para estudios biológicos de San Diego, de manera independiente, sugirieron una manera para salir de este problema. Propusieron que el ARN bien pudo haberse originado primero y haber establecido lo que hoy es conocido como mundo del ARN (un mundo en el cual el ARN catalizaba todas las reacciones necesarias para un precursor del último ancestro de la vida para sobrevivir y replicarse). También propusieron que el ARN pudo subsecuentemente haber desarrollado la capacidad de unir aminoácidos en proteínas. Este escenario pudo haber ocurrido si el ARN prebiótico hubiera tenido dos propiedades que hoy no tiene: la capacidad de replicarse sin la ayuda de proteínas y la habilidad de catalizar cada uno de los pasos para la síntesis de proteínas.

Hubo pocas razones para favorecer al ARN sobre el ADN como originadores del sistema genético, aunque el ADN es ahora el principal almacenador de la información hereditaria. Una consideración fue que los ribonucleótidos en el ARN son más fácilmente sintetizados que los desoxiribonucleótidos en el ADN. Aun más, fue fácil dilucidar maneras en las que el ADN evolucionaba del ARN y entonces, más estable, tomar el lugar del ARN como el guardián de la herencia. Se sospecha que el ARN vino antes que las proteínas en parte porque se tuvo dificultad a la hora de diseñar un escenario en el cual las proteínas se pudieran replicar en ausencia de ácidos nucleicos.

Durante la década de 1980, una gran cantidad de evidencia ha dado crédito a la idea que el hipotético mundo ARN existió y llevó a la aparición de la vida basada en ADN, ARN y proteínas. En efecto,, en 1983 Thomás R. Cech de la Universidad de Colorado en Boulder e, independientemente, Sydney Altman de la Universidad de Yale, descubrieron las primeras ribozimás conocidas, enzimás hechas de ARN. Hasta entonces, se pensaba que las proteínas eran las que llevaban a cabo todas las reacciones catalíticas en organismos contemporáneos. De hecho el término enzima está usualmente reservado para las proteínas. Las primeras ribozimás identificadas podían hacer poco más que cortar y unir ARN preexistente. Sin embargo, el hecho de que actuaran como enzimás añade peso a la noción de que el ARN antiguo pudo haber sido catalítico.

No hay moléculas de ARN que dirijan la replicación de otras moléculas de ARN. Pero técnicas ingeniosas desarrolladas por Cech y Jack W. Szostak del Hospital General de Mássachussets, han modificado ribozimás originadas de manera natural para que puedan llevar a cabo algunas de las más importantes sub-reacciones de la replicación de ARN tales como extender nucleótidos u oligonucleótidos.

Recientemente Szostak encontró evidencia aún más fuerte de que la molécula de ARN producida por química prebiótica pudo haber llevado a cabo la replicación del ARN en la Tierra primigenia. Comenzó creando una serie de oligonucleótidos de manera aleatoria para aproximar la producción aleatoria que se presume ocurrió hace unos cuatro mil millones de años. De este acervo fue capaz de aislar un catalizador que podía unir oligonucleótidos. Igualmente importante, el catalizador podía obtener energía de la reacción de un grupo trifosfato (tres fosfatos unidos), el mismo grupo que ahora da energía a la mayoría de las reacciones de los sistemas vivientes, incluyendo la replicación de ácidos nucleicos. Semejante parecido apoya la idea de que una molécula de ARN pudo haberse comportado como, y precedido a, las proteínas catalizadoras que llevan a cabo hoy la replicación del material genético en los organismos vivos. Falta mucho por investigar, pero ahora parece posible que algún tipo de ARN catalizaba la reproducción de RNA y demostrarlo será viable en el futuro.

Estudios en ribosomas, usualmente llamados las “fábricas de proteínas de la célula”, han provisto apoyo para otra parte importante de la hipótesis del mundo del ARN: la propuesta de que el ARN pudo haber creado la síntesis de proteínas. Los ribosomás, lo cuales están formados de ARN y proteína, viajan a lo largo de cadenas de ARN mensajero (transcritos de cadenas sencillas de genes que traducen en proteínas la información presente en el ADN). Al moverse los ribosomás unen aminoácidos específicos al siguiente, formando uniones peptídicas entre ellos. Harry F. Noller, Jr, de la Universidad de California en Santa Cruz ha encontrado que es probablemente el ARN en los ribosomás, no la proteína, quien cataliza las uniones peptídicas.

Otro trabajo indica que el ARN primitivo pudo haber sido capaz de evolucionar, como hubiese sido requerido de cualquier material que diera paso a los genes en el último ancestro de la vida. Sol Spiegelman, de la Universidad de Illinois, y colaboradores inspirados por sus ideas, han demostrado que las moléculas de ARN pueden ser inducidas a tomar nuevos rasgos. De momento, cuando el ARN pudo replicarse repetidamente en presencia de una ribonucleasa (una enzima que normalmente rompe ARN), el ARN eventualmente se volvió resistente a esta enzima degradante. Similarmente, Peral F. Joyce del Instituto de Investigación Scripps y otros, han aplicado recientemente procedimientos más sofisticados para derivar ribozimás que llevan a una variedad de uniones químicas, incluyendo uniones peptídicas.

De esta manera, hay buenas razones para pensar que el mundo del ARN existió y que el ARN inventó la síntesis de proteínas. Si esta conclusión es correcta, la principal tarea en la investigación del origen de la vida se convierte en explicar cómo el mundo de ARN fue posible. La respuesta a esta pregunta requiere conocer algo acerca de la química de la sopa prebiótica: la solución acuosa de moléculas orgánicas en la cual se originó la vida. Afortunadamente, incluso antes de la propuesta de la hipótesis del mundo del ARN, los investigadores habían obtenido útiles conocimientos acerca de esta química.

El Original Experimento del Origen de la Vida

A principios de la década de 1950 Stanley Miller, trabajando en el laboratorio de Harold C. Urey en la Universidad de Chicago, realizó el primer experimento designado para clarificar las reacciones químicas que ocurrieron en la Tierra primitiva (abajo). En el matraz de la segunda imagen, creó un “océano” de agua, la cual calentó, haciendo que el vapor de agua circulara (flechas) a través del aparato. El matraz de la parte alta, contenía una “atmósfera” que consistía en metano (CH4), amoniaco (NH3), hidrógeno (H2) y el vapor de agua circulante. A continuación, expuso estos gases a una descarga eléctrica continua (chispazos), provocando una interacción entre los gases. Los productos solubles en agua de estas reacciones, pasaban entonces a través de un condensador y se disolvían en el “océano”. El experimento produjo muchos aminoácidos y permitió a Miller explicar su síntesis. Por ejemplo, la glicina apareció después de que algunas reacciones en la atmósfera produjeron compuestos simples –formaldehido y ácido cianhídrico- que participaron en el conjunto de reacciones mostrado abajo. Años después de este experimento, en un meteorito que cayó cerca de Murchison, Australia, se encontraron cierta cantidad de estos aminoácidos que Miller identificó (ver tabla) y aproximadamente en la misma proporción (puntos oscuros); los que forman parte de las proteínas que conocemos, presentan renglón sombreado. Tales coincidencias dan credibilidad a la idea de que el protocolo de Miller se aproxima a la química de la Tierra prebiótica. Descubrimientos más recientes ponen un poco en duda tales conclusiones.

Figura 2. Formación de la glicina.

Figura 3. El experimento de Miller y Urey.

Hacia la década de 1930 Alexander Oparin en Rusia y J.B.S. Haldane en Inglaterra habían señalado que los compuestos orgánicos necesarios para la vida no pudieron haberse formado en la Tierra si la atmósfera fuese rica en oxigeno (oxidativa) como lo es hoy. El oxígeno, el cual toma átomos de hidrogeno de otros compuestos, interfiere con las reacciones que transforman moléculas orgánicas simples en complejas. Oparin y Haldane propusieron que la atmósfera de la Tierra joven era reductiva: contenía poco oxígeno y era rica en hidrógeno y compuestos que podían donar átomos de hidrogeno a otras sustancias. Semejantes gases se presume que incluían metano (CH4) y amonio (NH3).

Las ideas de Oparin y Haldane inspiraron al famoso experimento Miller-Urey, el cual en 1953 dio inicio a la era de la química experimental prebiótica. Harold C. Urey de la Universidad de de Chicago y Stanley L. Miller, un estudiante graduado en el laboratorio de Urey, se preguntaban acerca de los tipos de reacciones que ocurrían cuando la Tierra estaba todavía envuelta en una atmósfera reductiva. En un aparato auto-contenedor, Miller creó tal atmósfera. Consistió en metano, amonio, agua e hidrógeno sobre un “océano” de agua. Después sometió los gases a “relámpagos” en la forma de una descarga eléctrica continua. Después de unos días analizó tal “océano”.

Miller encontró que tanto como el 10% del carbono en el sistema fue convertido en un relativamente pequeño número de compuestos orgánicos identificables, y arriba del 2% de etal carbono se invirtió en la formación de aminoácidos de los tipos que sirven como constituyentes de proteínas. Este último descubrimiento fue particularmente excitante porque sugería que los aminoácidos necesarios para la construcción de proteínas (y para la vida misma) hubieran sido abundantes en la Tierra primitiva. En aquél tiempo, los investigadores aún no ponían mucha atención al origen de los ácidos nucleicos; estaban más interesados en explicar cómo aparecieron las proteínas en la Tierra.

Cuidadosos análisis dilucidaron muchas de las reacciones químicas que ocurrieron en los experimentos y deducir de allí que pudieron haber ocurrido en el planeta prebiótico. Primero, los gases en la atmósfera reaccionaron para formar un juego de compuestos orgánicos simples, incluyendo cianuro y aldehídos (compuestos que contienen el grupo CHO). Los aldehídos después combinados con amonio y cianuro generan productos intermediarios llamados aminonitrilos, los cuales al interactuar con el agua del “océano” producen aminoácidos y amonio. La glicina fue el aminoácido más abundante, resultando de la interacción entre formaldehído, amonio y cianuro. Un sorprendente numero de los 20 aminoácidos también fueron sintetizados, pero en menores cantidades.

Figura 4. El ARN está compuesto de nucleótidos, cada uno de los cuáles consiste en un grupo fosfato y el azúcar ribosa unida a una base nitrogenada que puede contener guanina (G), citosina (C), uracilo (U) o [[Ir_a_Glosario#Adenina.adenina|adenina ] ] (A). El uracilo de una cadena de ARN puede aparearse con adenina de otra cadena, y la citosina puede aparearse con guanina, produciendo una doble hélice. Se piensa que tal complementariedad en el apareamiento de bases ha contribuido en la capacidad del ARN primitivo de auto-reproducirse.

Estudios similares dieron algo de la primera evidencia de que los componentes de los ácidos nucleicos también se pudieron haber formado en la sopa primitiva. En 1961 Juan Oro, entonces en la Universidad de Houston, trato de determinar si los aminoácidos se podían obtener de una manera más sencilla que la del experimento de Miller. Mezclo cianuro y amonio en una solución acuosa, sin introducir el aldehído. Encontró que los aminoácidos pueden de hecho se producidos por estos químicos. Además hizo un descubrimiento inesperado: la molécula compleja más abundante identificada fue la adenina.

La adenina , es una de las cuatro bases nitrogenadas presente en el ARN y el ADN. Es también un componente del adenosin trifosfato, ahora la molécula mayor proveedora de energía de la bioquímica. El trabajo de Oro implico que si la atmósfera fuera de hecho reductiva, la adenina-sin discusión uno de los más esenciales bioquímicos- hubiese estado disponible para ayudar a iniciar la vida. Posteriores estudios establecieron que las bases nitrogenadas restantes pueden obtenerse de reacciones entre cianuro y otros dos compuestos que se hubieran formado en una atmósfera prebiótica reductora: cianógeno y cianoacetileno. Experimentos previos parecían indicar que bajo condiciones prebióticas plausibles, importantes constituyentes de proteínas y ácidos nucleicos pudieron haber estado presentes en la joven tierra.

Llamativamente, muchos de los mismos compuestos generados en estos varios experimentos también han sido encontrados en el espacio. Una familia de aminoácidos que se superponen a los generados en el experimento de Miller han sido identificados en meteoritos carbonosos junto con las bases adenina y guanina. Aun más, la familia de pequeñas moléculas que los laboratorios han implicado como participantes de la síntesis prebiótica (agua, amonio, formaldehído, hidrogeno, cianuro y cianoacetileno) es abundante en las nubes de polvo interestelar, donde nacen nuevas estrellas.

Esta coincidencia entre las moléculas presentes en el espacio exterior y las producidas en las simulaciones de laboratorio de química prebiótica han sido generalmente interpretadas como una buena aproximación de la química que ocurrió en la tierra joven. La duda ha surgido debido a que investigaciones recientes arrojan que la tierra nunca fue tan reductora como Urey y Millar pensaron. Se sospecha que muchos compuestos orgánicos generados en estudios previos hubiesen sido producidos aun en una atmósfera que contuviera menos hidrogeno, metano y amonio. Aun así, parece prudente considerar otros mecanismos para la acumulación de constituyentes de proteínas y ácidos nucleicos en la sopa prebiótica.

De momento, los aminoácidos y las bases nitrogenadas necesarias para la vida en la tierra pudieron haber llegado por meteoritos, polvo interestelar y cometas. Durante medio millar de millones de años de la historia de la tierra, el bombardeo de meteoritos y cometas debió haber sido intenso, aunque el hecho de que material orgánico pudo haber sobrevivido es debatible. También es posible, aunque menos probable, que algunos de los materiales orgánicos requeridos para la vida no se originaron en la superficie de la tierra. Pudieron haber surgido de las ventilas del mar profundo, las fisura submarinas de la corteza terrestre a través de las cuales circulan gases calientes de forma intensa.

Incluso si asumimos que un proceso u otro permitió la aparición de los ácidos nucleicos en la tierra primitiva, aquellos que estamos a favor del mundo del ARN aun debemos explicar cómo surgió el ARN auto replicante a partir de estos constituyentes. La hipótesis más simple explica que los nucleótidos del ARN se formaron cuando reacciones químicas directas llevaron a la unión de la azúcar ribosa con las bases de ácido nucleico y los fosfatos. Después, estos ribonucleótidos espontáneamente se unieron para formar polímeros, al menos uno de los cuales era capaz de llevar a cabo su propia reproducción.

El escenario es atractivo, sin embargo como veremos, esto es difícil de probar. Primero que nada, la ausencia de enzimas, los trabajadores han tenido problemás al sintetizar ribosa en cantidad y calidad. Se ha sabido por largo tiempo que la ribosa puede ser fácilmente producida a través de series de reacciones entre moléculas de formaldehído. Aunque cuando estas reacciones ocurren, se forma una mezcla de azucares en la cual la ribosa es la de menor cantidad. La relativa baja producción de ribosa actúa en contra de un mundo ARN, porque las otras azucares se combinarían con las bases de ácido nucleico para formar productos que inhiben la síntesis de ARN y su replicación. Nadie ha descubierto aun una sencilla, completa cadena de reacciones que termine como ribosa como su producto principal.

Lo que es más, intentos por sintetizar nucleótidos directamente de sus componentes bajo condiciones prebióticas se ha encontrado con un éxito mediano. Impulsando una serie de experimentos ha producido nucleosidos purinas. Eso es, unidades consistentes de una purina y una ribosa pero sin fosfatos que se necesitaría para tener un nucleótido. Desafortunadamente, los investigadores han sido incapaces de producir nucleosidos pirimídicos eficientemente sin la ayuda de enzimás.

La formación de nucleótidos por combinación de fosfatos con nucleosidos ha sido logrado con reacciones prebióticas simples. Pero los tipos de nucleótidos que ocurren en la naturaleza surgen junto con moléculas relacionadas produciendo estructuras incorrectas. Si semejantes mezclas fuesen producidas en el joven planeta, los nucleótidos anormales hubiesen interaccionado con los normales y así interferir en la catálisis y la replicación del ARN. Aunque cada paso de la síntesis de ribonucleótidos puede ser llevada a cabo hasta cierto grado, no es fácil ver como reacciones prebióticas pudiesen haber llevado al desarrollo de los ribonucleótidos necesarios para producir un RNA auto replicante.

Una alternativa es asumir que las catálisis inorgánicas estaban disponibles para asegurar que solo se formaran los nucleótidos correctos. Cuando los componentes de los nucleótidos se adsorbieran en la superficie de algún mineral, ese mineral pudo haberles provocado que se combinaran solo en una orientación específica. La posibilidad de que los minerales sirvieran como catalizadores permanece real, pero ninguno de los minerales probados hasta ahora ha demostrado tener la especificidad necesaria para lograr que solo los nucleótidos tengan la arquitectura correcta.

También es posible que reacciones nano enzimáticas lograran la síntesis eficiente de ribonucleótidos puros pero los científicos simplemente han fallado en identificarlas. Como ejemplo, Albert Eschenmoser del Instituto Federal de Tecnología Suizo recientemente manejo el limitar el número de azucares generadas al sintetizar ribosa de la polimerización de moléculas de formaldehído. En sus experimentos, el sustituyo el intermediario normal de la reacción que forma la ribosa con un compuesto fosforilado, relacionado cercanamente y después permitió proceder el resto de los pasos. Bajo algunas condiciones, el principal producto final de los procesos fue un derivado fosforilado de la ribosa. Los grupos fosfatos de este producto hubiesen tenido que ser re-arreglados para producir la ribosa fosforilada que se encuentra en los ribonucleótidos. Aun así, los resultados sugieren que reacciones aun sin descubrir en la sopa prebiótica pudieron haber llevado a la exitosa síntesis de ribonucleótidos.

Asumamos que los investigadores pudieran probar que los ribonucleótidos pudieran aparecer de forma nano enzimática. Investigadores que apoyan el escenario simple descrito arriba todavía tendrían que demostrar que los nucleótidos pudieran juntarse en polímeros y que los polímeros se pudieran replicar sin la ayuda de las proteínas. Muchos investigadores están luchando ahora con estos retos. Una vez más, los minerales pudieron llevar a cabo esta tarea. De hecho, James P. Ferris del Instituto Politécnico Ressealer encuentra que una arcilla común, montmorilonita, cataliza la síntesis de oligonucleótidos de ARN.

Es difícil concebir los pasos por los cuales el ARN pudo haber comenzado su replicación sin la ayuda de proteínas. Trabajo previo de laboratorio inicialmente sugirió que esto era posible. En estos experimentos sintetizamos oligonucleótidos y los combinamos con nucleótidos libres. Los nucleótidos se alinearon sobre los oligonucleótidos y se combinaron para formar nuevos oligonucleótidos.

Para ser más específicos, desde 1953, cuando James D. Watson y Francis Crick resolvieron la estructura tridimensional del ADN, se ha sabido que la adenina de empareja con la timina en ADN y uracilo en ARN. De igual forma, la guanina hace pareja con la citosina. Los oligonucleótidos obtenidos en el experimento se emparejaban de acuerdo con Watson y Crick. Por ejemplo, un templado que fuese hecho solo de citosina se emparejaba con uno formado completamente por guanina.

Formar estos complementos de una cadena templada –un proceso al cual debemos llamar copiado- sería el primer paso en la replicación prebiótica de una cadena seleccionada de ARN. Después las cadenas tendrían que separarse, y un complemento del complemento (una réplica de la cadena original) tendría que ser construida. Los experimentos descritos antes claramente establecen que la atracción mutua entre la adenina y el uracilo y entre la citosina y la guanina es suficiente por si misma para lograr cadenas complementarias de muchas secuencias de nucleótidos. Las eximás simplemente hacen el proceso más eficiente y permiten un rango más amplio de ARNs para copiar.

Después de años de intentar no hemos sido capaces de lograr el segundo paso de la replicación –copiar una cadena complementaria para lograr un duplicado del primer templado- sin ayuda de enzimás. Igualmente decepcionante, podemos inducir la copia del templado original solo cuando corremos los experimentos que tienen una configuración orientada hacia el lado derecho. Aun así en la tierra primitiva, números iguales de nucleótidos con ambas orientaciones hubiesen estado presentes. Cuando ponemos números iguales de ambos tipos de nucleótidos en nuestras mezclas de reacción el copiado es inhibido.

Todos estos problemás son preocupantes, pero estos no regulan completamente la posibilidad de que el ARN fue inicialmente sintetizado y replicado por procesos relativamente poco complejos. Quizá los minerales, de hecho catalizaron tanto la síntesis de nucleótidos propiamente estructurados y su polimerización en una familia aleatoria de oligonucleótidos. Entonces copiarse sin replicación hubiese producido un par de cadenas complementarias. Si, como Szostak ha expuesto, una de las cadenas resulto ser una ribozima que podía copiar su propio complemento y de esa manera duplicarse ella misma, las condiciones necesarias para una replicación exponencial de dos cadenas hubiese sido establecida. Este escenario en ciertamente muy optimista, pero podría ser correcto.

Figura 5. Estromatolitos

Figura 5. Estructuras de estromatolitos modernos (a la izquierda), construidos por cianobacterias (algas azul – verdes), habitan en Bahía Tiburones, en Australia. J. William Schopf de la Universidad de California en Los Ángeles, ha encontrado en Australia remanentes de estromatolitos con unos 3.6 mil millones de años de antigüedad, yaciendo cerca de fósiles de células de 3.5 mil millones de años que se parecen a cianobacterias modernas; los fósiles (en el centro), representan aparentemente filamentos de células microscópicas (diagrama de la derecha). Los descubrimientos de Schopf indican que, sin importar cómo la vida haya iniciado, ya estaba bien establecida a unos mil millones de años de que la tierra se formó.

Puesto que se ha probado que sintetizar nucleótidos y lograr la replicaron del ARN bajo plausibles condiciones prebióticas puede ser un gran reto, los químicos están comenzando a considerar la posibilidad de que el ARN no fue la primera molécula auto replicante de la tierra primitiva sino que un sistema más sencillo fue primero. Desde esta perspectiva, el ARN seria el Frankenstein que finalmente desplazo a su inventor. A. Graham Cairns Smith de la Universidad de Glasgow fue el primero en especular de este tipo de reemplazo genético. Él y otros argumentan que los componentes del primer sistema genético fueron o muy simples o pudieron al menos ser generados de manera muy simple. Cairns Smith también ha propuesto una de las más radicales ideas de la naturaleza de este sistema genético temprano.

Hace unos 30 años el propuso que el primer sistema replicante fue inorgánico. Él imagino irregularidades en la estructura de una arcilla –por ejemplo, una distribución irregular de cationes (iones cargados positivamente)- como un depósito de información genética. La replicación seria lograda en este ejemplo si cualquier arreglo de cationes en una capa preformada de arcilla dirigiera la síntesis de una nueva capa con una distribución idéntica de cationes. La selección pudo haberse logrado si la distribución de cationes en una capa determinara que tan eficientemente esta capa fuese copiada. Hasta ahora nadie ha tratado de probar esta hipótesis en el laboratorio. En el plano teórico, sin embargo, esto suena poco plausible. Irregularidades estructurales en la arcilla que fueran suficientemente complicadas para establecer el escenario para el surgimiento del ARN probablemente no sería viable para lograr la auto replicación.

Otros investigadores han comenzado también la investigación para la búsqueda de materiales genéticos alternativos. En un intrigante ejemplo, Eschenmoser ha creado una molécula llamada piranosil ARN (pARN) que esta cercanamente relacionada con el ARN pero tiene incorporada una versión diferente de la ribosa. En el ARN natural, la ribosa contiene un anillo de 5 extremos con cuatro carbonos y un oxígeno, la ribosa de Eschenmoser contiene un átomo extra de carbono en el anillo.

Eschenmoser encontró que cadenas complementarias al piranosil ARN se pueden aparear bajo las reglas Watson-Crick para formar unidades de doble cadena que permiten pocas variaciones indeseadas en la estructura de las que son posibles en el ARN normal. Además, las cadenas no se doblan alrededor entre ellas, como sucede en las cadenas dobles de ARN. En un mundo sin enzimás, el doblado podría prevenir la separación de las cadenas en preparación para la replicación. En muchas maneras, entonces, el piranosil ARN parece mejor adaptado para la replicación que el mismo ARN. Si se encontraran medios simples para sintetizar ribonucleótidos de azucares con un anillo de seis miembros se podría hablar que esta forma de ARN precedió a la actual forma de la molécula.

En una muy diferente aproximación, Meter E. Nielsen de la Universidad de Copenhague ha usado modelos de construcción asistidos por computadora para diseñar un polímero que combina la columna vertebral de una proteína con bases de ácido nucleico para “cadenas de costado” (side chain). Como en el ARN, una cadena de este polímero, o ácido péptido nucleico (APN), puede combinarse establemente con una cadena complementaria; este resultado implica que el peptido ARN puede ser capaz de servir como templado para la construcción de su complemento. Muchos polímeros con estructura similar podrían actuar de manera similar, quizá uno de ellos estuvo presente en el sistema genético temprano.

Ambos, el piranosil ARN y los ácidos péptido nucleicos se basan en el emparejamiento Watson-Crick como el elemento estructural que hace el emparejamiento complementario posible. Investigadores interesados en descubrir sistemas genéticos más simples también están tratando de construir moléculas que no dependan de bases nucleotídicas para el copiado en el templado directo. Hasta ahora, sin embargo, no hay buena evidencia de que los polímeros obtenidos de estos experimentos se puedan replicar. La búsqueda por antecesores del ARN puede vislumbrarse como uno de los objetivos principales de experimentación para los químicos prebióticos.

Ya sea que el ARN surgió espontáneamente o reemplazó a algún sistema genético anterior, su desarrollo fue probablemente el parteaguas en el desarrollo de la vida. Esto muy probablemente llevo a la síntesis de proteínas, la formación de ADN y el surgimiento de una célula que se convirtió en el último ancestro en común de todas las formas de vida. Los eventos precisos que permitieron el surgimiento del mundo ARN permanecen desconocidos. Como hemos visto, los investigadores han propuesto muchas hipótesis, pero la evidencia a favor de cada una permanece fragmentaria. Los detalles de cómo surgió el mundo ARN y la vida podría no revelarse en el futuro cercano. Sin embargo, mientras químicos, bioquímicos y biólogos moleculares cooperen con experimentos cada vez más ingeniosos seguramente llenaremos muchas partes vacías de este rompecabezas.

Lecturas complementarias

The origins of life on the Earth. Stanley L. Miller and Leslie E. Orgel. Prentice Hall, 1974.

Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life. A. Graham Cairns-Smith. Cambridge University Press, 1982.

Directed Molecular Evolution. Gerald F. Joyce in Scientific American, Vol. 267, No. 6, pages 48 – 55; December 1992.

The Oldest Fossils and what They Mean. J. W. Schopf in Mayor Events in the History of Life. Edited by J. W. Schopf. Jones and Bartlett, 1992.

The RNA World. Edited by Raymond F. Gesteland and John F. Atkins. ColdSpring Harbor Laboratory Press,1993

Tomado de:

Orgel, E. L. October, 1994. The Origin of Life on Earth. Scientific American, Special Issue: Life in the Universe. pp. 52 - 61

Traducción libre por:

M. en C. Luis Alfredo Vázquez Bárcena.