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La investigación realizada por los científicos del Instituto Whitehead para la Investigación Biomédica ofrece nuevos puntos de vista sobre los orígenes evolutivos de la vida.

Basado en una nota de prensa del Instituto Whitehead MIT.

Una nueva enzima del ARN, o riboenzima, sintetizada por David Bartel, Wendy Johnson y otros colegas en el Instituto de Whitehead del MIT para la Investigación Biomédica, abre una puerta para encontrar el supuesto camino que explique lo que pudo haber pasado en la sopa primordial sin proteínas ni ADN. Desde que se describió inicialmente en la revista Science, la riboenzima de Whitehead, o ARN catalizador, ha venido a completar el cuadro de la evolución química inicial y a explicar cómo se podría haber originado la vida.|

Como resaltó Sydney Altman, Laureado con el premio Nobel del 1989, en su 'Mundo de ARN': 'Si la vida ancestral en la Tierra no comenzó sino hasta hace aproximadamente 3.500 millones de años, hubo quizás un período de 500 millones de años para probar muchas secuencias de polímeros [como el ARN] que originalmente se desarrollaron a través de mecanismos no bioquímicos y que finalmente evolucionaron hasta lograr los primeros sistemas autoreproductores”. Como descubridor del primer ARN catalizador, Altman especuló que: “en un sistema primitivo no harían falta ni ADN ni proteínas, siempre que el ARN pudiese actuar como catalizador'.

Según Bartel, 'Una cuestión fundamental acerca del origen de la vida es ¿qué clase de moléculas dieron lugar a algunas de las formas de vida más primitivas?' Hasta hace dos décadas, se pensaba que el ARN actuaba como un intermediario molecular, convirtiendo ADN genético en proteínas y finalmente en células. La idea de un tiempo evolutivo en el que la vida se reprodujese sólo mediante ARN, parecía imposible, y lo que llegó a ser llamado 'Mundo del ARN' no podía sostener reacción alguna que pudiera apoyar la evolución química inicial. Pero el descubrimiento de enzimas que no son proteínas, sino ARNs en sí mismas, demostró que el ARN es capaz de mucho más: tanto como transportador como catalizador para su propia replicación.

Para el equipo científico, su primer desafío fue crear la enzima de ARN en el laboratorio partiendo de cero, y no aislarlo de la naturaleza. 'Crear una hebra complementaria de ARN es una reacción enzimática desafiante porque requiere que varias cosas sucedan al mismo tiempo', dice Wendy Johnston, primera autora del escrito y miembro del equipo de investigación en el laboratorio de Bartel.

Pero una vez que se creó la ribozima, la molécula tenía que poder copiarse a sí misma a partir de bloques más simples, particularmente si las reacciones de ARN pudieran servir como reactivo de autoreplicación o de evolución. El segundo desafío para el grupo de Bartel fue, por consiguiente, hacer muchas copias de ARN de la primera plantilla. Al solapar el original sobre las moléculas copiadas, se comparó su fidelidad al patrón original. La prueba clave demostró un 95% de exactitud.

Este nuevo hallazgo eliminó una de las limitaciones que aparecían en trabajos anteriores, dónde la fidelidad dependía de la longitud de la cadena de ARN o del orden de la secuencia. 'La reacción debe ser exacta, incorporando nucleótidos en la plantilla base, lo bastante genérica como para que cualquier plantilla pueda copiarse, y lo suficientemente eficaz como para añadir un gran número de nucleótidos', dice Johnston. De hecho se logró autoreplicar una hélice completa de ARN, con una longitud de cadena de 14 letras clave (o nucleótidos).

Ya tenemos disponible una de las piezas clave en la aparición del escenario del mundo del ARN: una muestra de un patrón creado en el laboratorio y, partiendo de esta, una molécula copiada al 95% de semejanza; todo ello independientemente de la longitud del ARN o del orden de secuencia. Lo qué los científicos de Whitehead esperaban -- ARN que se reprodujese a sí mismo de manera autosuficiente -- y que aporta una de la más fuertes evidencias de que, al igual que los bloques de vida, el mundo del ARN pudo propagarse incluso antes del advenimiento químico del ADN y de las proteínas.

'Era el clásico argumento de qué fue primero, sí el huevo o la gallina. El ARN, así como el ADN, posee la información genética necesaria para reproducirse pero necesita proteínas para catalizar la reacción. Recíprocamente, las proteínas pueden catalizar las reacciones pero no pueden reproducirse sin la información proporcionada por el ARN', dice Bartel.

Lo que había detenido los intentos anteriores en las pruebas de evolución de moléculas en tubos de ensayo era de hecho un desafío fundamental a la misma evolución, la habilidad para seleccionar a los candidatos con posibilidades a partir de aquéllos que presentaban fallos. 'Durante el proceso de selección, buscamos ARNs que pudieran alterarse a sí mismos de una manera especial. Entonces pudimos separarlos del ARN que no se alteraba', dice Bartel. En términos de Darwin, finalmente se logró a la vez la réplica selectiva del ARN y evitar mutaciones extrañas.

Cuando en un principio se propuso el mundo del ARN, el debate se centró alrededor de la falta de candidatos de ARN disponibles. Hay sólo ocho riboenzimas conocidas en la naturaleza, muy pocas para realizar una selección y llevar a cabo la evolución molecular de una manera autosuficiente. Pero una vez que comenzó la síntesis química del ARN en el laboratorio de Bartel (y en otros), se presentó el problema inverso. Demasiadas mutaciones empezaron a inhibir la utilidad biológica y lo más importante, la autoreplicación. De hecho, desde 1993, cuando Bartel y Jack Szostak en la Universidad de Harvard, encontraron 65 nuevas riboenzimas de entre una búsqueda de más de 10.000 millones de ARNs, el problema ha sido hacer una selección mucho más eficaz. 'Cuando expusimos estas riboenzimas a unas pruebas de ensayo de evolución, nos encontramos con descendientes que eran 100 veces más eficaces', dice Bartel. De modo que, sin las mutaciones en juego, la eficacia molecular buscada por los colegas de Bartel ayudará finalmente a los biólogos evolucionistas a centrarse en las preguntas clave acerca de cómo empezó la vida en la Tierra hace más de tres mil millones de años.

¿Qué viene luego?

Antes del descubrimiento de los ARNs catalizadores, las proteínas eran consideradas por muchos como las únicas moléculas orgánicas en la materia viviente que podrían funcionar como catalizadores. En este escenario, se requerían proteínas para la síntesis del ADN, así como ADN para la síntesis de las proteínas. Sin embargo, las fascinantes posibilidades del mundo del ARN y la síntesis de nuevas riboenzimas proporcionan otro camino para el nacimiento de la vida ancestral. Inicialmente pudieron existir sistemas basados en un ARN autoreplicante, y posteriormente pudieron sumarse el ADN y las proteínas.

'Nunca podremos demostrar la existencia del mundo del ARN porque no podemos volver atrás en el tiempo, pero podemos examinar las propiedades básicas del ARN y podemos comprobar si éstas son compatibles con el escenario del mundo del ARN”, dice Bartel.

En próximas investigaciones, los objetivos de nuestros arquitectos moleculares serán probablemente extender la longitud del patrón por encima de un giro de hélice completo, y lograr una verdadera copia que conserve la integridad de su diseño del ARN a lo largo de muchas generaciones químicas.

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