ARN, péptidos y el origen de la vida

Por Colaborador Invitado, el 7 julio, 2022. Categoría(s): Biología • Ciencia

El “mundo ARN” es uno de los modelos más aceptados acerca del origen de la vida en nuestro planeta. Un reciente descubrimiento puede contribuir a la comprensión de cómo las primeras proteínas pudieron sintetizarse en un ambiente dominado por moléculas de ARN.

A la izquierda, esquema de las fases hipotéticas por las que atravesó el mundo ARN. A La derecha, esquema del proceso de síntesis de péptidos descrita en la referencia [3] y que desarrolla de forma experimental la fase 2 del mundo ARN. Elaboración propia.
La vida es un acontecimiento único. Lo es, desde el momento en que no conocemos ningún otro caso de seres vivos en el universo. También es un acontecimiento único porque todos los seres vivos de nuestro planeta derivan de un ancestral común. Es decir, toda la vida en el planeta Tierra se desarrolla a partir de un único origen. Si se produjeron otros procesos paralelos de generación de seres vivos, estos no han dejado rastro y por tanto los desconocemos.

El origen de la vida, por tanto, es un acontecimiento trascendental, y ha dado lugar a numerosas hipótesis, especulaciones y controversias. Vamos a tratar aquí uno de los modelos que más aceptación tiene sobre cómo pudo producirse la emergencia de los mecanismos básicos de los seres vivos. Un descubrimiento reciente parece reforzar este modelo y aclarar algunos de los puntos oscuros que persistían en los últimos años.

Hablamos del “mundo ARN”, centrado en las propiedades del ácido ribonucleico, la molécula responsable, entre otras funciones, de trasladar la información almacenada en el ADN para la síntesis de las proteínas. En concreto el ARN mensajero (ARNm) copia esta información para su traducción en forma de proteínas en el ribosoma, un orgánulo que contiene también ARN (ARN ribosómico o ARNr). Por último el ARN de transferencia (ARNt) se encarga de transportar los aminoácidos al ribosoma para su ensamblaje en la cadena polipeptídica que constituye la base de las proteínas.

Vemos por tanto que los diferentes ARNs desempeñan funciones esenciales para el funcionamiento de las células. Las hipótesis más actuales los sitúan también en el foco del origen de la vida. Veamos por qué.

El concepto “Mundo ARN” fue acuñado por Walter Gilbert en 1986, en un célebre comentario publicado en Nature [1]. Para los interesados, aquí tienen una excelente revisión sobre este tema [2]. Este concepto se basaba en las propiedades de las ribozimas, descubiertas cuatro años antes por Thomas Cech y Sidney Altman. Ambos recibieron el Premio Nobel de Química en 1989 por este hallazgo. Las ribozimas son cadenas de ARN que tienen propiedades catalíticas. Vamos a pararnos aquí, porque se trata de un concepto extraordinario. Hasta aquel momento los ácidos nucleicos (ADN y ARN) se consideraban básicamente moléculas capaces de transportar información. Las enzimas, proteínas construidas a partir de esta información, desempeñaban las funciones catalíticas necesarias para la vida, entre otras la síntesis de ADN y ARN. Esto llevaba al típico dilema huevo/gallina. Los ácidos nucleicos se sintetizan gracias a la actividad de las proteínas pero estas no pueden sintetizarse sin la información contenida en los ácidos nucleicos. Por esto el descubrimiento de las ribozimas fue sensacional. Un mismo tipo de molécula era capaz de transportar información en su secuencia y, al mismo tiempo, catalizar reacciones químicas tales como el corte y empalme de secuencias de ácidos nucleicos.

Como decíamos, Walter Gilbert propuso que el origen de la vida debía estar relacionado con esa capacidad única de las ribozimas. Según su descripción, podemos imaginar un mundo ARN, conteniendo moléculas que catalizan su propia síntesis y que evolucionan a través de mutación y recombinación para explorar nuevas funciones (fase 1 en la figura 1). En una etapa posterior (fase 2) estas moléculas de ARN ensamblarían aminoácidos para formar proteínas. Las proteínas pronto superarían a los ARNs en cuanto a capacidad catalítica. Finalmente el ADN pudo ser sintetizado gracias a una innovadora proteína, la transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, que es capaz de trasladar la secuencia de ARN a una secuencia de ADN (fase 3). El ADN es una molécula químicamente muy estable, lo que permitió formar largas secuencias y almacenar gran cantidad de información. Además, al ser una doble cadena, hizo posible un mecanismo de corrección de errores durante su replicación. Finalmente el ARN dejó de ser el principal actor, quedando relegado a la función intermedia que desempeña hoy día, entre ADN y proteínas (fase 4).

Todo esto está muy bien pero, como es obvio, se trata de una hipótesis con un fuerte contenido especulativo. En particular resultaba complicado explicar la fase 2, la etapa en la que los ARN comenzarían a ensamblar aminoácidos para producir proteínas. Por esto, la reciente publicación en Nature de una investigación realizada por un grupo de químicos de la Universidad de Munich, liderado por Thomas Carell, ha despertado una enorme expectación [3]. como se refleja en el comentario publicado por Claudia Bonfio en el mismo número de la revista [4]. Hay que destacar que uno de los co-primeros autores del artículo es español, el doctor Luis Escobar.

Como es bien sabido, el ARN contiene cuatro tipos de nucleótidos en su secuencia, cuyas bases son adenina, guanina, citosina y uracilo (sustituido este por timina en el ADN). Lo que es menos conocido es que en ocasiones aparecen en el ARNt y en el ARNr nucleótidos con bases no canónicas, versiones modificadas de los anteriores que estabilizan su estructura terciaria (3D). Estos nucleótidos, con nombres tan impresionantes como la N6-treonilcarbamoiladenosina o la 5-metillaminometiluridina, aparecen en todos los seres vivos, por lo que se pensaba que eran reliquias del mundo ARN, anteriores al origen de la vida. Lo que ahora parece probable es que estas reliquias desempeñaran un papel importante en dicho origen. El grupo de Carell ha mostrado experimentalmente que ARNs dotados de nucleótidos no canónicos son capaces de interaccionar para formar polipéptidos sin necesidad de la intervención de proteínas. Dicho de otra forma, lo que era una hipótesis asociada a la evolución del mundo ARN se ha hecho realidad en el laboratorio. ¿Cómo es posible?

Carell y su grupo han partido de cadenas de ARN dotadas en su extremo de un nucleótido no canónico ligado a un aminoácido o un pequeño péptido. Estas cadenas se denominan “donantes” (figura 1, a la derecha).  Cuando la cadena donante se une a una secuencia complementaria de ARN que también termina en un nucleótido no canónico (la “aceptora”), y se eleva la temperatura, el aminoácido o el péptido es transferido a dicho nucleótido o a un péptido en formación ligado a él. Sucesivas combinaciones con cadenas donantes van alargando la secuencia peptídica que se está sintetizando sobre la cadena aceptora, llegando a formar polipéptidos de hasta 15 aminoácidos de longitud. El grupo estableció que la cadena donante debe contar con un mínimo de tres nucleótidos, lo cual podría estar relacionado con el sistema de tripletes de nucleótidos que constituye el código genético.

Lo que le falta a este sistema químico es la especificidad, es decir, que los aminoácidos transferidos no lo sean de forma aleatoria sino que correspondan a la información contenida en la secuencia de ARN aceptora. No obstante, es concebible que la evolución tendiera a refinar el sistema de forma que la secuencia de bases en la cadena aceptora determinara la unión de donantes portadores del aminoácido correcto para la elaboración del péptido deseado. Este sería el origen del código genético, finalmente almacenado en el ADN.

Estas quimeras ARN-péptidos son más estables que las propias cadenas de ARN, por lo que pudieron desempeñar un papel trascendental en las primeras etapas del origen de la vida y explicar cómo un mundo ARN pudo evolucionar hacia la síntesis de proteínas. En un proceso sinérgico, los ARN forman péptidos y los péptidos estabilizan el ARN y contribuyen a aumentar su complejidad. De hecho, el artículo de Müller y colaboradores propone el concepto de un mundo “ARN-péptidos”, activo entre 4000 y 3800 millones de años antes del presente, y que culminó en la formación de las primeras células. Se trata, en conclusión, de un importantísimo avance para la comprensión de la evolución molecular que precedió a la emergencia de los seres vivos.

 

Este artículo nos lo envía Ramón Muñoz-Chápuli (Granada, 1956) ha sido catedrático de Biología Animal en la Universidad de Málaga hasta su reciente jubilación. Ha publicado un centenar de artículos científicos sobre Biología del Desarrollo y Evolución Animal en revistas nacionales e internacionales, además de numerosos artículos divulgativos. Su docencia se ha centrado sobre todo en estos temas, aunque ha impartido también clases de Historia de la Biología y Filosofía de la Ciencia a nivel de posgrado. Ha sido Vicedecano de la Facultad de Ciencias y Director de la Escuela de Doctorado de la UMA. Es autor de varios relatos premiados en certámenes literarios y de la novela histórica El sueño del Anticristo.

 

Referencias científicas y más información:

[1] Gilbert, W. Origin of life: The RNA world. Nature 319, 618 (1986). https://doi.org/10.1038/319618a0

[2] Joyce, G. The antiquity of RNA-based evolution. Nature 418, 214–221 (2002). https://doi.org/10.1038/418214a

[3] Müller, F., Escobar, L., Xu, F. et al. A prebiotically plausible scenario of an RNA–peptide world. Nature 605, 279–284 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04676-3

[4] Bonfio C. A possible path towards encoded protein synthesis on ancient Earth. Nature. 2022 May;605(7909):231-232. doi: 10.1038/d41586-022-01256-3



Por Colaborador Invitado, publicado el 7 julio, 2022
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