La hipótesis del mundo ARN es el modelo más popular para el origen de la vida. Su punto de venta principal es que el ARN puede almacenar información en su secuencia de nucleótidos de cuatro letras y plegarse en estructuras tridimensionales complejas. Una suposición fundamental es que un gran número de ARN con secuencias largas se materializaron en la tierra antigua. Eventualmente aparecieron algunos que pudieron autorreplicarse o replicar otros hilos. Luego, la evolución del ARN comenzó donde ocurrieron mutaciones en las secuencias de nucleótidos, y la selección natural conservó y multiplicó aquellas que se plegaban en enzimas de ARN (también conocidas como ribozimas) que podrían impulsar reacciones biológicamente relevantes. Luego, el ARN desempeñó el papel tanto del ADN como de las enzimas proteicas.
James Tour en su serie de videos sobre el origen de la vida detalló los enormes obstáculos que inhibían la formación de ARN en la Tierra primitiva. En este artículo, describiré cómo la investigación sobre la «autorreplicación» del ADN desacredita aún más la hipótesis del mundo del ARN y demuestra la necesidad de una agencia inteligente en el origen de la vida.
Plantillas autorreplicantes
Un artículo reciente de los investigadores del origen de la vida Alexandra Kühnlein, Simon Lanzmich y Dieter Braun pretende dar crédito a la afirmación de que un sistema de ARN en evolución podría transformarse en una maquinaria primitiva de traducción de proteínas. En realidad, el experimento usó ADN como sustituto del ARN, ya que las dos moléculas interactúan de manera muy similar.
Los investigadores generaron cadenas de ADN con dos extremos que podían unirse a los extremos complementarios de otras cadenas. Residiendo entre las regiones finales había una región central que actuaba como un «dominio de información». Se sintetizaron diferentes versiones del ADN con diferentes secuencias de nucleótidos del dominio de información. A cada secuencia se le asignó un número con un subíndice (0A, 0B, 0C, 0D, 1A, 1B, 1C, 1D) o el complemento de un número (0A-com, 0B-com, …). Cada número y su complemento correspondían a secuencias complementarias que se unirían espontáneamente. Los extremos de varios hilos se unieron para formar una cadena que representaba un «código binario» basado en el orden de los dominios de información, como 0010. La cadena cumplía la función de plantilla.
Durante el experimento, los dominios de información de las cadenas de ADN en una plantilla se unen primero con los de las cadenas complementarias. Luego, los extremos del ADN complementario se unieron y surgió una nueva plantilla. El código binario de la plantilla original se replicó en la nueva a través de la ordenación específica de los dominios de información en la cadena. Por ejemplo, una plantilla con el orden de dominio (código binario) 0010 crearía una nueva plantilla con el código complementario (0-com 0-com 1-com 0-com). La nueva plantilla podría entonces dirigir la formación de la plantilla original (ver Figura 1).
Describir este proceso como replicación es muy cuestionable ya que se proporcionaron todas las cadenas de ARN y simplemente se unieron entre sí. Más específicamente, las secuencias de nucleótidos no se replicaban, sino que solo los pocos bits de información asociados con el código binario se transmitían a la siguiente generación. Sin embargo, los investigadores especulan que dicho código binario eventualmente podría convertirse en un código genético para proteínas. En realidad, el experimento sugiere fuertemente que la autorreplicación nunca podría haber comenzado sin una intervención inteligente.
Información de secuencia
Las hebras de ADN solo podían realizar las acciones requeridas porque fueron diseñadas para hacerlo. Los investigadores comenzaron con secuencias de ARNt de células y luego las modificaron para que sus extremos se unieran:
Diseñamos un conjunto de cadenas de ADN que se replican cooperativamente utilizando el paquete de programas NUPACK (Zadeh et al., 2011). Las secuencias están diseñadas para tener horquillas dobles autocomplementarias y son complementarias por pares dentro del conjunto de moléculas, de modo que la horquilla 3′ de una hebra es complementaria a la horquilla 5′ de la siguiente. Su estructura se asemeja a la estructura secundaria de los proto-ARNt propuestos por las teorías estereoquímicas (Figura 1a), que comprenden dos bucles en horquilla que rodean el anticodón con algunas bases vecinas (Krammer et al., 2012).
Además, se eligieron los dominios de información, por lo que cada dominio coincidía con una secuencia complementaria que garantizaba que se unirían. Los dominios aleatorios solo se habrían unido en muy raras ocasiones. Además, las secuencias se «seleccionaron específicamente para una homogeneidad óptima de las energías de unión y las temperaturas de fusión». El éxito del experimento dependía de que los investigadores suministraran la información requerida.
Enormes cantidades de ADN
Los investigadores también suministraron al experimento plantillas y hebras de ADN individuales en concentraciones que corresponden a billones de copias en un volumen del tamaño de una sola gota de agua. A estas concentraciones, el experimento aumentó el número de plantillas en un 40 por ciento en 10 minutos. Se requerían concentraciones tan grandes ya que concentraciones mucho más bajas no podrían haber impulsado la replicación de la plantilla a una tasa sostenible.
La concentración mínima necesaria para mantener la replicación del ARN real se puede estimar comparando las tasas a las que se produce la replicación en este y otros estudios con la tasa a la que el ARN se degrada espontáneamente. Los investigadores determinaron que la velocidad a la que se generan nuevas plantillas cae proporcionalmente con la disminución de la concentración de plantillas. La tasa también cae con la concentración de hebras individuales.
En comparación, el enlace que une los nucleótidos en el ARN se rompe espontáneamente después de unos años en promedio en condiciones comparables a las utilizadas en el experimento. Incluso el ADN en condiciones ideales se degradará después de unos años. Dado que el ARN es mucho menos estable que el ADN, solo podría durar meses como máximo antes de degradarse. Para el experimento, la concentración de plantillas y de hebras libres probablemente no podría reducirse por debajo de millones de copias por mililitro sin sacrificar la replicación sostenible.
No se puede subestimar la inverosimilitud de tantas versiones similares del mismo ARN que existen al mismo tiempo en el mismo lugar. Incluso un solo ARN de solo unas pocas docenas de nucleótidos existente en toda la historia de la tierra sería casi milagroso. Para dos polímeros, la longitud del ARNt, por no hablar de millones con secuencias similares, para existir en estrecha proximidad está más allá del ámbito de la imaginación. Los autores simplemente señalan, con optimismo, que según nuestra comprensión actual de «la química prebiótica con respecto a la polimerización y la ligadura, aún no se comprende la creación de> 80 nt de ARN».
Asistencia adicional
Incluso con toda la intervención del investigador antes mencionada, el proceso de replicación aún no era sostenible sin asistencia adicional. El experimento requería cambios de temperatura altamente orquestados:
Las secuencias de plantilla se prepararon utilizando un protocolo de dos pasos. Recocido de 95 ̊C a 70 ̊C en 1 h, seguido de incubación a 70 ̊C durante 30 min. Posteriormente, las muestras se enfriaron a 2 ̊C y se almacenaron en hielo. Al ensamblar complejos que contenían dominios de información emparejados (Figura 2), las muestras se enfriaron lentamente de 70 a 25 °C en 90 minutos antes de transferirlas a hielo. Las horquillas dobles de ADN se extinguieron en un estado monomolecular mediante calentamiento a 95 ̊C y la posterior transferencia rápida a agua helada.
Los cambios de temperatura fueron esenciales para que las hebras complementarias se unieran correctamente a una plantilla, se unieran y luego se liberaran como una nueva plantilla. El experimento también requería otras condiciones ambientales y químicas cuidadosamente controladas que posiblemente no podrían haber ocurrido con una exactitud tan exquisita en la tierra antigua.
Además, la precisión de la replicación correspondió al 85-90 por ciento por nucleótido, por lo que la tasa de error fue del 10 al 15 por ciento por nucleótido. La tasa de error más allá de la cual se garantiza que la información se perderá después de varias rondas de replicación se denomina umbral de error. Se alcanza el umbral para una tasa de error del 10 por ciento por cadenas con una longitud de solo 10 nucleótidos, pero el umbral de error para el ADN utilizado en el estudio o la información en las plantillas es inferior al 2 por ciento. Como resultado, cualquier información contenida en la plantilla se degradaría rápidamente, incluso en las condiciones favorables del experimento. Para mantener la integridad de la información que se replicaba, los investigadores tenían que reabastecerla constantemente sintetizando nuevas plantillas. Sin todas las intervenciones del investigador descritas, nunca podría surgir un sistema de replicación de ARN, ni siquiera sostenerse por sí mismo.
Artículo publicado originalmente en inglés por Brian Miller Ph.D. en Evolution News & Science Today
