El comienzo de la vida: La búsqueda del primer replicador

El comienzo de la vida: La búsqueda del primer replicador

Traducido libremente de un artículo publicado recientemente
en la revista de divulgación científica, New Scientist,
del 15 de agosto de 2011 y cuyo autor es Michael Marshall
que trabaja como reportero científico en dicho medio.

La vida debió comenzar con una simple molécula
que pudo reproducirse a sí misma.
Ahora se piensa que sabemos cómo fabricar una.
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Hace cuatro mil millones de años,
la superficie de un planeta recientemente formado
y que orbitaba en torno a una estrella de tamaño mediano,
comenzó a enfriarse.

Se trataba de un lugar muy poco apacible,
bombardeado permanentemente por meteoritos
y fracturado y alterado por erupciones volcánicas,
en medio de una atmósfera saturada de gases tóxicos.

Pero tan pronto como el agua se comenzó a congregar
en lagunas y océanos repartidos por su superficie,
algo extraordinario ocurrió.

Una molécula,
o tal vez un conjunto de ella,
capaces de replicarse a sí mismas, surgió.

Este fue el amanecer de la evolución.

Una vez que las primeras
entidades auto-replicantes aparecieron,
la selección natural comenzó a actuar,
favoreciendo descendencias conteniendo
las variantes que permitían mejorar
su capacidad de replicarse a sí mismas.

Luego, las primeras células aparecieron.

El resto es prehistoria.

Miles de millones de años más tarde,
algunos de los descendientes
de aquellas primeras células
evolucionaron a organismos
lo suficientemente inteligentes
como para preguntarse acerca
de cómo eran los primeros ancestros,
las primeras formas de vida.

¿Qué molécula lo comenzó todo?

Volviendo atrás
hasta la década del sesenta del siglo XX,
unos pocos de estos inteligentes organismos
comenzaron a sospechar que las primeras
moléculas auto-replicantes
estaban hechas de ARN,
un cercano pariente del ADN.

Sin embargo, esta idea
ha constituido siempre un gran problema
ya que no se conocían caminos
por medio de los cuales
moléculas de ADN pudieran
haberse formado en la Tierra primordial.

Y si no resulta posible que moléculas de ARN
se formen espontáneamente, ¿cómo
podrían haber surgido moléculas de ARN auto-replicante?

¿Surgió primero algún otro replicador?
Si la respuesta es afirmativa, ¿qué era?

La respuesta finalmente está comenzando a emerger.

Cuando los biólogos comenzaron a reflexionar
acerca de cómo la vida surgió,
la pregunta parecía desconcertante.

En todos los organismos vivos de hoy en día,
el trabajo duro es realizado por las proteínas.

Las proteínas pueden torsionarse y plegarse
en una amplia variedad de formas
de manera que pueden hacer casi cualquier cosa,
incluyendo el actuar como enzimas,
sustancias que catalizan un gran número
de reacciones químicas.

Sin embargo, la información que se necesita
para fabricar proteínas es guardada en las moléculas de ADN.

Uno no puede fabricar nuevas proteínas sin ADN,
y uno no puede confeccionar nuevo ADN sin proteínas.

La pregunta entonces es,
¿qué surgió primero: las proteínas o el ADN?

El descubrimiento en los años sesenta
de que el ARN podía plegarse como una proteína,
aunque sin poder derivar en estructuras complejas,
sugirió una respuesta.

Si el ARN podía catalizar reacciones
así como guardar información,
algunas moléculas de ARN
podrían ser capaces de
fabricar más moléculas de ARN.

Y si ese era el caso,
los replicadores de ARN
no habrían tenido
la necesidad de recurrir a proteínas.

La podrían hacer por sí mismos.

Era una idea atractiva,
pero al mismo tiempo
constituía una completa especulación.

Nadie había mostrado que el ARN
pudiera catalizar reacciones
como las enzimas proteicas.

No fue hasta el año 1982,
después de un par de décadas
de investigación
que una enzima de ARN
fue finalmente descubierta.

Thomas Cech
de la Universidad de Colorado, en Boulder,
encontró una Tetrahymena thermophila,
una bizarro animal unicelular con siete sexos
(Science, vol 231, p. 4737).

Después de eso, las compuertas se abrieron.

Científicos comenzaron a descubrir
cada vez más, enzimas de ARN
tanto en organismos vivos
como otros nuevos creados en sus laboratorios.

El ARN puede no ser tan bueno
para almacenar información como el ADN,
ya que no es tan estable,
ni es tampoco tan versátil como las proteínas,
pero llegó a convertirse en el comodín molecular
de todas estas transacciones.

Esto proveyó de un fuerte impulso
a la idea de que la vida primigenia
consistió en moléculas de ARN
que catalizaron la producción
de más moléculas de ARN
- "el mundo ARN" como lo bautizó
el químico de Harvard, Walter Gilbert
hace un cuarto de siglo (Nature, vol 319, p. 618).

Estos replicadores de ARN
pudieron incluso tener sexo.

La enzima de ARN descubierta por Cech
no solamente catalizaba cualquiera
de las antiguas reacciones.

Era una sección corta de ARN
que podía cortarse a sí misma
de una cadena más larga.

Revirtiendo la reacción
podía agregar ARN a las cadenas,
en el sentido que replicadores de ARN
podrían haber sido capaces
de intercambiar trozos
con otras moléculas de ARN.

Esta capacidad podría haber
acelerado enormemente
el proceso evolutivo,
debido a que innovaciones
introducidas por linajes
diferentes de replicadores
podían ser reunidas
en un solo linaje.

Para muchos biólogos
el hecho decisivo
sobrevino en el año 2000
cuando se resolvió la estructura,
el mecanismo por medio del cual
las células fabrican para sí proteínas.

Este trabajo confirmó el hecho
de que enclavado en el corazón
de estas factorías
estaba una enzima de ARN
y si las proteínas
eran fabricadas por el ARN,
seguramente el ARN
había surgido primero.

Sin embargo, todavía quedaban
algunos temas sin resolver.

De una parte,
no estaba claro
si el ARN realmente
era capaz de auto-replicarse.

Hoy en día, el ADN y el ARN
necesitan de la ayuda de muchas proteínas
para realizar copias de ellos mismos.

Si alguna vez existió un auto-replicador,
pareciera haber desaparecido hace mucho tiempo.

De manera que los bioquímicos
se propusieron fabricar uno,
tomando muestras de ARN al azar
e hicieron que evolucionara
por muchas generaciones
para ver qué surgía de dicha deriva.

Para el 2001,
este proceso dio por resultado
una enzima de ARN llamada R18
que podía agregar 14 nucleótidos
-los bloques fundamentales del ARN y del ADN-
a un ARN ya existente,
utilizando otro ejemplar de ARN como plantilla
(Science, vol 292, p. 1319).

Sin embargo, cualquier ARN auto-replicante,
necesita construir ARNs que sean al menos
tan largos como sí mismos
-y el R18 no estaba ni cerca de serlo.

Contiene 189 nucleótidos,
pero el ARN más largo
que puede fabricar
contiene solamente 20.

Un gran avance ocurrió
en los primeros meses del presente año
cuando Phillipp Holliger y colegas
del Laboratorio de Biología Molecular MRC
de Cambridge, en el Reino Unido,
descubrieron una enzima llamada tC19Z.

Ésta, realiza copias confiables
de secuencias de ARN
hasta de 95 letras de largo,
casi la mitad de largo de sí misma
(Science, vol 332, p. 209).

Para lograr esto, tC19Z
se adhiere a los extremos
de una secuencia de ARN,
ensamblándose al nucleótido correcto,
y entonces se mueve al escalón siguiente
y agrega otro.

"Todavía no puedo creer que
uno pueda realizar algo tan complejo
con una molécula tan simple", dice Holliger.

De manera que los biólogos
están extraordinariamente cerca
de crear una molécula de ARN,
o tal vez un conjunto de moléculas
capaces de replicarse a sí mismas.

Esto deja todavía una pregunta no resuelta:
¿de dónde proviene la energía
que lleva a cabo esta actividad?

Tiene que estar ocurriendo
algún tipo de proceso metabólico
-pero el ARN no parece ser capaz
de echar a andar un metabolismo
completamente desarrollado.

"Hay un tema que perturba
y tiene que ver con la duda
acerca de si el ARN es capaz
de desplegar toda la química necesaria
para poder fundar en el ARN
el origen de la replicación y de la vida",
dice Adrian Ferré-D'Amaré
del Instituto Nacional
del Corazón, Pulmón y Sangre
en Bethesda, Maryland.

El ARN posee solamente unos
cuantos "grupos funcionales"
químicamente activos,
que se limitan a catalizar
solamente unos pocos tipos
de reacciones químicas.

Los grupos funcionales
son como herramientas
-mientras más tipos de ellas uno posee,
más cosas uno puede realizar.

Las proteínas poseen un conjunto
más numeroso de grupos funcionales
que los ARNs.

Sin embargo, existe una manera
de hacer de una herramienta única
algo más versátil: agregarle
diferentes trozos a ésta,
como esos destornilladores
con cabezas intercambiables.

Los equivalentes químicos
son moléculas, pequeños ayudistas
conocidos como cofactores.

Las proteínas utilizan cofactores
para extender, incluso más lejos
el rango de las reacciones
que pueden controlar.

Sin cofactores,
la vida como la conocemos
no podría existir,
dice Ferré-D'Amaré.

Y sucede que las enzimas de ARN
pueden utilizar cofactores también.

En el año 2003, Hiroaki Suga,
actualmente en la Universidad de Tokyo, en Japón,
creó una enzima de ARN que podía oxidar el alcohol,
con la ayuda de un cofactor llamado NAD+
que es usado en muchas enzimas proteicas
(Nature Structural Biology, vol 10, p. 713).

Meses más tarde, Ronald Breaker
de la Universidad de Yale,
encontró que una enzima de ARN natural,
llamada glmS, que también utiliza un cofactor.

Muchas bacterias usan glmS,
dice Ferré-D'Amaré.
de manera que pueden
ocurrir dos cosas,
o es ancestral,
o las enzimas de ARN
que utilizan cofactores
evolucionan fácilmente.

De cualesquiera de las dos,
parece como si las moléculas de ARN
fuesen capaces de llevar a cabo
el rango de reacciones
necesarias para producir energía.

De manera que la evidencia
que alguna vez existió
un mundo de ARN
está creciendo y parece
cada vez más convincente.

Quedan todavía, unos pocos disidentes.

"Los contradictores de la postura
a favor de que existió un mundo de ARN
han perdido mucho terreno",
dice Donna Blackmond
de el Instituto de Investigación Scripps
en La Jolla, California.

Pero persiste todavía un problema
obvio y de envergadura:
¿de dónde provino el ARN en primer lugar?

Las moléculas de ARN son cuerdas de nucleótidos,
que a su vez están hechas de azúcar
con una base y un fosfato adheridos.

En las células vivas, numerosas enzimas
están involucradas en producir nucléótidos
y en unirlos, pero, por supuesto,
el planeta primordial no poseía tales enzimas.

Había arcilla, sin embargo.

En 1996, el bioquímico Leslie Orgel
mostró que cuando nucleótidos "activados"
-aquellos con un trozo extra adherido al fosfato-
se agrega a un tipo de arcilla volcánica,
se formaban moléculas de ARN
con hasta 55 nucleótidos de largo
(Nature, vol 381, p. 59).

Con los nucleótidos ordinarios
la formación de largas cadenas de moléculas de ARN
serían energéticamente desfavorables,
pero los nucleótidos activados
proveerían la energía necesaria para conducir la reacción.

Esto sugiere que si existiesen
cantidades de nucleótidos activados
en los estadios tempranos de la Tierra,
largas cadenas de ARN
se formarían espontáneamente.

Es más, experimentos simulando
condiciones en la Tierra temprana
y en asteroides muestran que
los azúcares, bases y fosfatos
surgirían naturalmente también.

Reunir los nucleótidos
es la tarea ardua;
parece no existir forma
en unir los componentes
sin enzimas especializadas.

Debido a las formas de las moléculas,
es casi imposible para un azúcar
unirse a una base,
e incluso
cuando ello ocurre,
la molécula combinada
rápidamente desaparece.

Esta aparente dificultad irremontable
llevó a muchos biólogos
a sospechar que el ARN no fue
el primer replicador después de todo.

Muchos comenzaron a explorar la posibilidad
de que el mundo de ARN hubiese estado
precedido por un mundo TNA, o un mundo PNA,
o tal vez un mundo ANA.

Éstas son todas moléculas
similares al ARN
pero cuyas unidades básicas
se piensa es más plausible
de que se hayan formado espontáneamente.

El gran problema con esta idea
es que si la vida comenzó de esta manera,
no ha quedado evidencia que la sustente.

"No vemos el arma humeante"
dice Gerald Joyce, también
en el Instituto de Investigación Scripps.

Mientras tanto, John Sutherland,
en el Laboratorio de Biología Molecular MRC,
ha tratado con gran tenacidad de resolver
el problema de los nucleótidos.

Él piensa que los investigadores
puedan haber estado enfocando
el problema por el camino equivocado.

"En cada nucleótido, uno ve un azúcar,
una base y un grupo fosfato", dice.

"De manera que uno asume que necesita
fabricar primero aquellos ladrillos fundamentales
y después ajustarlos...pero no funciona".

En cambio, él se pregunta
si moléculas simples
son capaces de ensamblarse
en los respectivos nucleótidos
sin convertirse nunca en azúcares o bases.

En 2009 probó que esto era posible.

Tomó medio azúcar y media base
y los ensambló formando
un vínculo crucial azúcar-base
algo que todo el mundo conoce
y ha lidiado con él.

Sutherland adhirió el fosfato al final,
a pesar de que encontró que se necesitaba
que estuviese presente en la mezcla
para que las reacciones tempranas funcionaran.
(Nature, vol 459, p. 239).

Sutherland fue deliberadamente confuso
o desordenado al incluir el fosfato
desde la partida, pero le dio buenos resultados.

Esto resultaba alentador:
la Tierra primordial
era un lugar confuso
y pudo ser ideal
para fabricar nucleótidos.

Sutherland sospecha ahora
que esta química
"no demasiado simple, no demasiado compleja"
sería capaz de producir muchos elementos clave
a partir del mismo crisol.

"Sutherland obtuvo un avance notable", dice Holliger.

"Todos le estaban ladrando al árbol equivocado".

Sin embargo, el tema no se encuentra completamente resuelto.

El ARN posee cuatro nucleótidos,
y hasta el momento, Sutherland
ha producido solamente dos de ellos.

Sin embargo, éste afirma
que se está acercando a los otros dos.

Si resulta exitoso en esta tarea
mostrará que la formación espontánea
de replicadores de ARN
no era tan improbable después de todo,
y que el primer replicador
es bien posible que haya estado
hecho de ARN.

Muchas preguntas permanecen, por supuesto.

¿De dónde surgieron los replicadores?
¿Cómo era la primera forma de vida?

¿Cómo ocurrió la transición al ADN y proteínas,
y el desarrollo del código genético?

Tal vez nunca estaremos seguros
de conocer la respuesta adecuada
a estas preguntas,
pero avenidas promisorias
están siendo exploradas.

La mayoría de los biólogos piensan
que debe haber habido algo,
como una célula a partir del comienzo mismo,
conteniendo un replicador
y que mantenía sus partes componentes unidas.

De esa manera, los individuos competían entre sí
por recursos y evolucionaron de diferentes formas.

Jack Szostak de la Universidad de Harvard
ha mostrado que la misma arcilla
que produce las cadenas de ARN
también alienta la formación
de sacos limitados por membranas
más que células que encierran otras células.

Él ha cultivado "proto-células"
que contienen ARN
e incluso las ha dividido
sin recurrir a la moderna
maquinaria celular.

Otra idea es que la vida
comenzó en los fuentes
alcalinas hidrotermales
en el suelo marino.

No solamente estas fuentes termales
están atadas a sus poros y burbujas
sino que también proveen
el mismo tipo de gradiente electroquímico
que dirige la producción de energía
en las células hasta hoy.

Las condiciones pudieron ser ideales
para producir largar cadenas de ARN.

Holliger tiene una idea sorprendente:
tal vez todo ocurrió en el hielo.

Al momento de comenzar la vida,
la luz del sol era un treinta por ciento
menos intensa o tenue que hoy.

El planeta se habría congelado
si la atmósfera no estuviese
saturada de gases de efecto invernadero,
y pudo haber perfectamente hielo
hacia las regiones polares.

El ARN más frío, dura más
y el hielo provee varios otros beneficios.

Cuando el agua conteniendo ARN
y otros químicos es enfriada,
parte de ella se congela
mientras que el resto se convierte
en una salmuera concentrada
que rodea los cristales de hielo.

"Uno obtiene pequeños bolsillos entre los hielos", dice Holliger.

Entre las cosas de interés
está el hecho de que la enzima R18
funciona mejor en hielo que a temperatura ambiente
(Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms1076).

Ahora mismo, no hay forma de discernir,
escogiendo correctamente entre las dos opciones.

No permanecen vestigios fosilizados
de los primeros replicadores hasta donde sabemos.

Pero podemos tratar de recrear el mundo del ARN
para demostrar cómo pudo haber surgido.

Uno de estos días, dice Sutherland,
alguien llenará un container
con una mezcla de químicos primordiales,
y manteniéndolos bajo las condiciones adecuadas
observará cómo la vida emerge.

"El experimento se hará".

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Dirección en internet de artículo de divulgación en inglés:
http://www.newscientist.com/article/mg21128251.300-first-life-the-search-for-the-first-replicator.html?full=true

Si alguien tiene observaciones que hacer a este artículo, tanto en el
contexto y fondo de las implicancias de lo que aquí se narrar (como
también eventuales errores en la traducción que puedan inducir a error
a los lectores de este texto, se agradece enviarlos a la casilla de
correo electrónico del suscrito: rrosende@gmail.com

Gracias totales

Rafa