Durante décadas los químicos han comprobado teorías sobre como empezó la vida en la Tierra. Una hipótesis ha cautivado la imaginación científica durante años : El mundo ARN.
Esta teoría propone que las moléculas prebióticas se unieron pronto para formar ARN, las moléculas que llevan instrucciones del ADN a los organismos actualmente. El mundo ARN se basa en que una vez el ARN se formó en la Tierra, comenzó a autorreplicarse y más tarde dio lugar a moléculas como el ADN.
Acidos nucleicos. Crédito: SCRIPPS Institute
El mundo ARN es una teoría fascinante, dice Ramanarayanan Krishnamurthy, doctorado y profesor asociado de química en el Scripps Research, pero podría no ser cierto. El problema es que los ingredientes para hacer el mundo ARN, como las enzimas, no existían en la Tierra temprana.
"El mundo ARN trajo la idea de que si de alguna forma sintetizas ARN, que puede replicar y catalizar reacciones, todo lo demás sucederá automáticamente" dice Krishnamurthy, que es miembro de la Colaboración Simons para el Origen de la Vida, y tiene un acuerdo con el Centro de Evolución Química, cofinanciado por el programa de Astrobiología de la NASA y la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF). "No es el caso, porque el mundo ARN depende de la autorreplicación, que es muy difícil".
Parte del reto es que las moléculas de ARN forman estructuras estable llamadas duplexos. Estas estructuras tienen lo que se conoce como fuerte afinidad de unión. Significa que las moléculas de ARN tienen dificultad en separarse las unas de las otras y actuar como plantillas para replicarse más en la ausencia de enzimas.
Krishnamurthy tiene ahora evidencias experimentales para demostrar que el proceso de la vida en la Tierra podría haber comenzado con moléculas que parecían una mezcla de ADN y ARN. En el último número de Nature Chemistry, él y el autor principal del estudio, Dr.Subhendu Bhowmik, también del Scripps Research, informan de que estas moléculas mezcladas forman duplexos inestables y tienen menos afinidad a si mismas. Sorprendentemente, estas "quimeras" tienen una mayor afinidad por el ARN y el ADN, lo que les permite actuar como plantillas para crear ARN o ADN.
De hecho, los investigadores fueron capaces de formar estas quimeras en condiciones de laboratorio y mostraron que tienen el potencial de replicar ARN y ADN, y el ADN y ARN formado puede reproducir las quimeras. Este comportamiento podría llevar a una amplifificación transcatalítica de ADN y ARN - un paso hacia la evolución de organismos complejos.
"Una implicación provocativa de este estudio es que el ARN y ADB podrían aparecer simultaneamente en lugar de la teoría ampliamente aceptada del mundo ARN, en la que el ARN aparece primero y da paso al ADN", dice Krishnamurthy. "Esto significa que mezclas de ARN y ADN podrían haber coexistido".
En los organismos actuales, el ADN y el ARN realizan papeles muy diferentes en nuestras células. El nuevo proyecto apoya experimentalmente la idea de que la vida podría haber aparecido en un sistema mucho más revuelto, donde el ADN y el ARN "puros" no existían todavía. Como dice Krishnamurthy : "Esta bien no tener una química clara".
En un trabajo dirigido por Bhowmik, el equipo también creó mezclas de moléculas "heterogéneas" compuestas de ARN y una molécula sintética llamada TNA, que se ha propuesto como posible precursora del ARN ("pre-ARN"). El TNA es muy similar al ARN, pero los científicos han reemplazado un tipo de molécula de azúcar (ribosa) con otro (terosa). Esto permite al TNA cruzarse con el ARN y el ADN .Krishnamurthy y Bhowmik dicen que una molécula como el TNA podría haber realizado este cruzamiento en los inicios de la evolución, llevando a la formación paralela de TNA y ARN.
Mezclando ADN y ARN los investigadores demostraron que puede haber sido posible formar una molécula mixta que funcione como plantilla para el ARN y el ADN. Esta molécula mixta es también un sistema de alta energía en el sentido de que forma duplexos inestables. La nueva investigación muestra que estos duplexos inestables (sistemas de más alta energía) son capaces de dar lugar a ARN y ADN, que forman duplexos más estables (sistemas de energía más baja). Así, hay un movimiento favorable termodinámico desde sistemas quiméricos (menos estables, de más alta energía) hacia sistemas homogéneos (más estables, energía menor).
"Los sistemas híbridos como estos podrían ayudar en la evolución de sistemas homogéneos", dice Bhowmik.
Nunca sabremos como se creó la primera vida exactamente, pero los experimentos al menos muestran las reacciones químicas que podrían haber conducido al ARN puro y a las secuencias de ADN que sustentan la vida hoy. El trabajo también apoya los hallazgos de un estudio de Scripps de 2018, que mostraba como una bacteria creada artificialmente puede funcionar con un genoma mixto de AND y ARN.
El estudio "The role of sugar-backbone heterogeneity and chimeras in the simultaneous emergence of RNA and DNA" fue apoyado por la NASA,la Fundación Simons y el programa postdoctoral de Astrobiología de la NASA.
