Modelando el origen de la vida: nueva evidencia para un “Mundo de ARN”

Modelando el origen de la vida: nueva evidencia para un “Mundo de ARN”

Los científicos de Salk revelan capacidades del 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 otra. Pero este proceso también debe ser algo flexible, permitiendo que surjan ligeras variaciones de genes con el tiempo e introduzcan nuevos rasgos en la población.

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

Nueva investigación en el Salk Institute ahora ofrece nuevas perspectivas sobre los orígenes de la vida, presentando evidencia convincente que apoya la hipótesis del Mundo de ARN. El estudio, publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) El 4 de marzo de 2024 se da a conocer una enzima de ARN capaz de crear copias exactas de otras cadenas de ARN funcionales, al tiempo que permite que surjan nuevas variantes de la molécula con el paso del tiempo. Estas extraordinarias capacidades sugieren que las primeras formas de evolución podrían haber tenido lugar a escala molecular en el ARN.

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

"Estamos persiguiendo el amanecer de la evolución”, dice el autor principal y presidente de Salk. Gerald Joyce. Al revelar estas nuevas capacidades del ARN, estamos descubriendo los posibles orígenes 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 usar el ADN para rastrear la historia de la evolución desde las plantas y animales modernos hasta los primeros organismos unicelulares. Pero lo que vino antes de eso sigue sin estar claro. Las hélices de ADN de doble cadena son excelentes para almacenar información genética. Muchos de esos genes finalmente codifican proteínas, máquinas moleculares complejas que realizan 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 hechas de secuencias extendidas de nucleótidos, similares al ADN, pero también pueden actuar como enzimas para facilitar reacciones, de manera similar a las proteínas. Entonces, ¿es posible que el ARN haya servido como precursor de la vida tal como la conocemos?

Científicos como Joyce llevan años explorando esta idea, centrándose especialmente en las ribozimas de ARN polimerasa, moléculas de ARN capaces de crear 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. Sin embargo, la mayoría presenta un defecto fatal: no son capaces de copiar las secuencias con la 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 por completo su función.

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

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

“Hace mucho tiempo que nos preguntamos cuán simple era la vida en sus inicios y cuándo adquirió la capacidad de empezar a mejorarse a sí misma”, dice el primer autor Nikolaos Papastavrou, un asociado de investigación en el laboratorio de Joyce. “Este estudio sugiere que el amanecer de la evolución pudo haber sido muy temprano y muy simple. Algo a nivel de moléculas individuales podría haber sustentado 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 a organismos multicelulares”.”

Los hallazgos resaltan la importancia crítica de la fidelidad de la replicación para hacer posible la evolución. La precisión de copia de la ARN polimerasa debe superar 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 aumentaban en tamaño y complejidad.

El equipo de Joyce está recreando este proceso en tubos de ensayo de laboratorio, aplicando una presión selectiva creciente al sistema para producir polimerasas de mejor rendimiento, con el objetivo de producir un día una ARN polimerasa que pueda replicarse a sí misma. Esto marcaría los inicios de la vida autónoma de ARN en el laboratorio, lo que los investigadores dicen que podría lograrse dentro de la próxima década.

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

“Hemos visto que la presión selectiva puede mejorar ARN con una función existente, pero si dejamos que el sistema evolucione por 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 por responder cómo la vida temprana pudo 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 las condiciones ambientales que podrían haber apoyado mejor la evolución del ARN, tanto en la Tierra como en otros planetas.

Este trabajo ha contado con el apoyo de la NASA (80NSSC22K0973) y la Fundación Simons (287624).

DOI: 10.1073/pnas.2321592121