Un segundo código genético podría explicar el origen de la vida

Tomado de abc.es  (junio 3 de 2015)

Recientes investigaciones han mostrado cómo la «sopa primordial» pudo crear los «ladrillos» necesarios para construir aminoácidos, y existe también un amplio consenso científico sobre cómo fue la evolución desde la primera célula viva hasta llegar a las plantas y los animales

GERALD PRINS

En el principio, solo había sustancias químicas. Y a partir de ellas surgieron aminoácidos que, eventualmente, dieron lugar a las proteínas necesarias para crear las primeras células vivas. Después, con el paso del tiempo, esas células se fueron uniendo para convertirse en plantas y animales. Esta es la versión más aceptada del origen de la vida. Recientes investigaciones han mostrado cómo la «sopa primordial» pudo crear los «ladrillos» necesarios para construir aminoácidos, y existe también un amplio consenso científico sobre cómo fue la evolución desde la primera célula viva hasta llegar a las plantas y los animales.

Pero nadie ha conseguido explicar aun cómo aquellos primeros aminoácidos lograron ensamblarse en las proteínas necesarias para poner en marcha las primeras células vivas. Ahora, Richard Wolfenden y Charles Carter, de la Universidad de Carolina del Norte, han logrado arrojar algo más de luz sobre la transición de los «ladrillos de la vida» a las primeras formas realmente vivas, hace cerca de 4.000 millones de años.

«Nuestro trabajo muestra que, desde el principio, mucho antes de que las moléculas más grandes y sofisticadas entraran en escena, resultó esencial una estrecha relación entre las propiedades físicas de los aminoácidos, el código genético y el plegamiento de proteínas -explica Charles Carter-. Y esta estrecha interacción fue, probablemente, el factor clave que hizo posible la evolución desde los ladrillos de la vida a los primeros organismos».

En dos artículos diferentes publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), los investigadores se oponen a la teoría que sostiene que el ARN (la molécula que actualmente se encarga de codificar, regular y expresar los diferentes genes), surgió espontáneamente de la «sopa primordial» de aminoácidos y elementos químicos para construir primero proteínas muy cortas (péptidos) y más tarde las primeras células vivas.

Wolfenden y Carter, sin embargo, argumentan que el ARN no pudo trabajar solo. De hecho, es igual de probable que el ARN catalizara la formación de péptidos como lo contrario, que los péptidos permitieran la formación del ARN. El hallazgo añade una nueva capa a la historia de cómo la vida consiguió evolucionar en la Tierra hace miles de millones de años.

3.600 millones de años

La comunidad científica admite que hace unos 3.600 millones de años debió de surgir el primer organismo vivo, el último antepasado común universal (LUCA, por sus siglas en inglés) de todos los seres vivos que han poblado y pueblan actualmente la Tierra. Y LUCA era, muy probablemente, un organismo unicelular, con apenas unos pocos cientos de genes, pero con todos los componentes básicos que caracterizan a los seres vivos de todos los tiempos. Desde LUCA en adelante, resulta relativamente sencillo comprender cómo evolucionó la vida tal y como la conocemos. El problema está justo antes.

De hecho, no existe evidencia alguna que nos indique cómo LUCA pudo llegar a surgir a partir del caldero hirviente de productos químicos que era la Tierra después de que el planeta se formara, hace cerca de 4.600 millones de años. De alguna manera, esos componentes químicos primordiales reaccionaron entre sí y formaron aminoácidos, que siguen siendo los «ladrillos» de los que están hechas las proteínas de las células actuales.

«Sabemos ya mucho sobre LUCA y estamos empezando a aprender sobre la clase de química capaz de producir aminoácidos -explica Carter-. Pero entre ambos hay un desierto de conocimiento. Y ni siquiera sabemos cómo explorarlo». La investigación de Wolfenden y Carter equivale a un puesto avanzado en ese desierto.

«El doctor Wolfenden -afirma Carter- ha establecido las propiedades físicas de los veinte aminoácidos, y hemos encontrado una relación entre esas propiedades y el código genético. Esa conexión nos sugiere que debió de existir un segundo código, anterior al que conocemos y que hizo posible las interacciones necesarias para poner en marcha un proceso de selección que terminó por crear la primera vida en la Tierra».

Aminoácidos y nucleótidos

De este modo, explica Carter, el ARN no tuvo que inventarse a sí mismo a partir de la sopa primordial. En lugar de eso, incluso antes de que hubiera células, parece más probable que hubiera interacciones entre aminoácidos y nucleótidos que terminaron por conducir a la creación de proteínas y de ARN.

Las proteínas deben plegarse de una forma determinada para funcionar correctamente. En el primer artículo de PNAS, Wolfenden muestra que tanto las polaridades de los veinte aminoácidos (la forma en que se distribuyen entre el agua y el aceite) como sus tamaños ayudan a explicar el complejo proceso de plegamiento de proteínas (cuando una cadena de aminoácidos conectados se organiza para formar una estructura tridimensional concreta que tiene una función biológica específica).

«Nuestros experimentos -asegura Wolfenden- muestran cómo las polaridades de los aminoácidos cambian constantemente a través de una amplia gama de temperaturas, y en formas que no puedan perturbar las relaciones básicas entre codificación genética y plegamiento de proteínas». Establecer este hecho resulta importante porque cuando la vida se estaba formando en la Tierra, las temperaturas eran muy elevadas, mucho más calientes de lo que son ahora, o de lo que eran cuando se establecieron las primeras plantas y animales.

Una serie de experimentos bioquímicos con aminoácidos llevados a cabo en el laboratorio de Wolfenden mostraron que estas dos propiedades (el tamaño y la polaridad de los aminoácidos), eran necesarias y suficientes para explicar cómo los aminoácidos se comportaron como proteínas plegadas. Y también para establecer que esta clase de relaciones podían tener lugar en un ambiente de temperaturas muy elevadas, com las que había en la Tierra hace 4.000 millones de años.

Tierra primitiva

En el segundo de los artículos publicados en PNAS, Carter se adentra en el proceso que permite a algunas enzimas transcribir el código genético. «Piense en el tARN como en un adaptador -explica el científico-. Un extremo del adaptador transporta un aminoácido concreto. El otro extremo lee el mapa genético de ese aminoácido en el ARN mensajero. Cada sintetasa coincide con uno de los veinte aminoácidos con su propio adaptador de forma que la impronta genética en el ARN mensajero reproduzca fielmente la proteína correcta cada vez».

El análisis de Carter muestra que los dos extremos de la molécula tARN (en forma de L), contienen códigos o reglas independientes que especifican qué aminoácido seleccionar. El extremo de tRNA que lleva el aminoácido los ordena específicamente según su tamaño. El otro extremo lee los codones, que son secuencias de tres nucleótidos que seleccionan los aminoácidos según su polaridad.

Los hallazgos de Wolfenden y Carter implican que las relaciones entre el tARN y las propiedades físicas de los aminoácidos (sus tamaños y polaridades) resultaron de crucial importancia en la Tierra primitiva. Para Carter, «la transcripción del código genético es en nexo que une la química prebiótica a la Biología».

Proteínas y ácidos nucléicos

Tanto Carter como Wolfenden creen que ese «estado intermedio» de la codificación genética puede ayudar a resolver dos paradojas: cómo surgió la complejidad a partir de la simplicidad; y cómo la vida dividió el trabajo entre dos tipos muy diferentes de polímeros: proteínas y ácidos nucléicos.

«El hecho de que la codificación genética se desarrollara en dos etapas sucesivas -subraya Wolfenden-, la primera de las cuales es relativamente simple, podría ser la razón por la que la vida fue capaz de emerger incluso cuando la Tierra era tan joven».

Un código anterior, que permitiera a los primeros péptidos codificados unirse al ARN, podría haber proporcionado una ventaja selectiva decisiva. Y permitir a este sistema primitivo someterse a un proceso de selección natural, capaz de lanzar una forma nueva y más «biológica» de la evolución.

«La colaboración entre el ARN y los péptidos -añade Carter- probablemente fue necesaria para que la complejidad emergiera de forma espontánea. En nuestra opinión, fue un mundo de péptidos y ARN, y no solo un mundo de ARN».