Modelando los orígenes de la vida: nueva evidencia de un “mundo ARN”

Modelando los orígenes de la vida: nueva evidencia de un “mundo ARN”

Los científicos de Salk revelan capacidades de ARN que permiten la evolución darwiniana a escala molecular y acercan a los investigadores a la producción de vida autónoma de ARN en el laboratorio.

LA JOLLA—Charles Darwin describió la evolución como "descendencia con modificación". La información genética en forma de secuencias de ADN se copia y se transmite de una generación a la siguiente. Pero este proceso también debe ser algo flexible, permitiendo que con el tiempo surjan ligeras variaciones de genes e introduzcan nuevos rasgos en la población.

Pero ¿cómo empezó todo esto? En los orígenes de la vida, mucho antes de las células, las proteínas y el ADN, ¿podría haber tenido lugar un tipo de evolución similar a una escala más simple? En la década de 1960, los científicos, incluido Leslie Orgel, miembro de Salk, propusieron que la vida comenzó con el “Mundo de ARN”, una era hipotética en la que pequeñas y fibrosas moléculas de ARN gobernaron la Tierra primitiva y establecieron la dinámica de la evolución darwiniana.

Una nueva investigación del Instituto Salk proporciona ahora nuevos conocimientos sobre los orígenes de la vida y presenta pruebas convincentes que respaldan la hipótesis del mundo del ARN. El estudio, publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) el 4 de marzo de 2024, presenta una enzima de ARN que puede hacer copias precisas de otras cadenas de ARN funcionales, al tiempo que permite que surjan nuevas variantes de la molécula con el tiempo. Estas notables capacidades sugieren que las primeras formas de evolución pueden haber ocurrido a escala molecular en el ARN.

Los hallazgos también acercan a los científicos a recrear vida basada en ARN en el laboratorio. Al modelar estos entornos primitivos en el laboratorio, los científicos pueden probar directamente hipótesis sobre cómo pudo haber comenzado la vida en la Tierra, o incluso en otros planetas.

"Estamos persiguiendo los albores de la evolución", dice el autor principal y presidente de Salk Gerardo Joyce. "Al revelar estas nuevas capacidades del ARN, estamos descubriendo los orígenes potenciales de la vida misma y cómo moléculas simples podrían haber allanado el camino para la complejidad y diversidad de la vida que vemos hoy".

Los científicos pueden utilizar el ADN para rastrear la historia de la evolución desde las plantas y animales modernos hasta los primeros organismos unicelulares. Pero lo que sucedió antes aún no está claro. Las hélices de ADN de doble cadena son excelentes para almacenar información genética. Muchos de esos genes, en última instancia, codifican proteínas: máquinas moleculares complejas que llevan a cabo todo tipo de funciones para mantener vivas las células. Lo que hace que el ARN sea único es que estas moléculas pueden hacer un poco de ambas cosas. Están formados por secuencias de nucleótidos extendidas, similares al ADN, pero también pueden actuar como enzimas para facilitar reacciones, al igual que las proteínas. Entonces, ¿es posible que el ARN haya servido como precursor de la vida tal como la conocemos?

Científicos como Joyce han estado explorando esta idea durante años, centrándose especialmente en las ribozimas de la ARN polimerasa: moléculas de ARN que pueden hacer copias de otras cadenas de ARN. Durante la última década, Joyce y su equipo han estado desarrollando ribozimas de ARN polimerasa en el laboratorio, utilizando una forma de evolución dirigida para producir nuevas versiones capaces de replicar moléculas más grandes. Pero la mayoría tiene un defecto fatal: no pueden copiar las secuencias con una precisión suficiente. A lo largo de muchas generaciones, se introducen tantos errores en la secuencia que las cadenas de ARN resultantes ya no se parecen a la secuencia original y han perdido su función por completo.

Hasta ahora. La última ribozima de ARN polimerasa desarrollada en el laboratorio incluye una serie de mutaciones cruciales que le permiten copiar una cadena de ARN con mucha mayor precisión.

En estos experimentos, la cadena de ARN que se copia es una “cabeza de martillo”, una pequeña molécula que escinde otras moléculas de ARN en pedazos. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que la ribozima de ARN polimerasa no solo replicaba con precisión los tiburones martillo funcionales, sino que, con el tiempo, comenzaron a surgir nuevas variaciones de los tiburones martillo. Estas nuevas variantes se comportaron de manera similar, pero sus mutaciones las hicieron más fáciles de replicar, lo que aumentó su aptitud evolutiva y las llevó a dominar finalmente la población de tiburones martillo del laboratorio.

"Durante mucho tiempo nos hemos preguntado qué tan simple era la vida en sus inicios y cuándo adquirió la capacidad de comenzar a mejorar", dice el primer autor Nikolaos Papastavrou, investigador asociado en el laboratorio de Joyce. “Este estudio sugiere que los albores de la evolución podrían haber sido muy tempranos y muy simples. Algo al nivel de las moléculas individuales podría sustentar la evolución darwiniana, y esa podría haber sido la chispa que permitió que la vida se volviera más compleja, pasando de moléculas a células y organismos multicelulares”.

Los hallazgos resaltan la importancia crítica de la fidelidad de la replicación para hacer posible la evolución. La precisión de la copia de la ARN polimerasa debe exceder un umbral crítico para mantener la información hereditaria a lo largo de múltiples generaciones, y este umbral habría aumentado a medida que los ARN en evolución aumentaron en tamaño y complejidad.

El equipo de Joyce está recreando este proceso en tubos de ensayo de laboratorio, aplicando una presión selectiva cada vez mayor sobre el sistema para producir polimerasas de mejor rendimiento, con el objetivo de algún día producir una ARN polimerasa que pueda replicarse a sí misma. Esto marcaría el comienzo de la vida autónoma de ARN en el laboratorio, lo que, según los investigadores, podría lograrse en la próxima década.

Los científicos también están interesados ​​en saber qué más podría ocurrir una vez que este mini “Mundo de ARN” haya ganado más autonomía.

"Hemos visto que la presión de selección puede mejorar los ARN con una función existente, pero si dejamos que el sistema evolucione durante más tiempo con poblaciones más grandes de moléculas de ARN, ¿se pueden inventar nuevas funciones?" dice el coautor David Horning, científico del laboratorio de Joyce. "Estamos entusiasmados de responder cómo la vida temprana podría aumentar su propia complejidad, utilizando las herramientas desarrolladas aquí en Salk".

Los métodos utilizados en el laboratorio de Joyce también allanan el camino para futuros experimentos que prueben otras ideas sobre los orígenes de la vida, incluidas qué condiciones ambientales podrían haber apoyado mejor la evolución del ARN, tanto en la Tierra como en otros planetas.

El trabajo fue apoyado por la NASA (80NSSC22K0973) y la Fundación Simons (287624).

DOI: X