45. En las Fronteras de la Evolución, Parte 3: La Hipótesis del Mundo de ARN.

7 de Agosto de 2014. Temas: Genética, Historia de la Vida

Nota: Esta serie de artículos ha sido concebida como una introducción básica a la ciencia de la evolución para no especialistas. Aquí se puede ver la introducción a esta serie o volver al índice aquí.

En este artículo exploramos el “mundo de ARN” que precede a la Biología moderna, basada en el ADN: un estadio propuesto en el origen de la vida anterior a la moderna bioquímica basada en el ADN y las proteínas.

El libro de Weizsäcker La Cosmovisión de la Física (The World View of Physics) me mantiene todavía muy ocupado. Me ha vuelto a recordar, de forma muy clara, lo equivocado que es utilizar a Dios para tapar los agujeros de las carencias de nuestro conocimiento. Si realmente las fronteras del conocimiento están retrocediendo, como de hecho es el caso, entonces Dios estaría retrocediendo con ellas, y estaría permanentemente en retirada. Tenemos que encontrar a Dios en lo que conocemos, no en lo que desconocemos; Dios quiere que percibamos su presencia no en los problemas no resueltos, sino en aquellos que ya han sido resueltos.”

Dietrich Bonhoeffer, Cartas y Papeles desde la Prisión

 

En el último artículo de esta serie, introdujimos la hipótesis del “mundo de ARN”, la idea de que la vida estaba basada en el ARN antes de la bioquímica basada en el ADN. Como señalamos entonces, esta hipótesis recibió un gran impulso cuando se averiguó que la enzima responsable de la síntesis de proteínas a partir de la información codificada en el ADN y el ARN era en realidad una ribozima: una enzima construida a partir de ARN.

Podemos apreciar mejor lo maravillosas que son las ribozimas si revisamos brevemente algo de la Biología celular básica que ya hemos tratado en esta serie (Si se quiere revisar esto con algo más de profundidad, pueden utilizarse los enlaces adjuntos). Recordaremos que el ADN es un polímero formado por monómeros y que la información contenida en el ADN se transfiere a las proteínas, que tienen una estructura tridimensional que puede realizar funciones estructurales y enzimáticas. De esta forma, el ADN funciona como molécula hereditaria y las proteínas realizan el trabajo diario en la célula. El “ARN mensajero”, como analizamos,  es el intermediario entre el ADN y las proteínas. Funcionando como “copia de trabajo” de un gen, el ARN mensajero se utiliza como plantilla o patrón para dirigir el orden de los monómeros en la proteína resultante. Lo que no hemos llegado a considerar, sin embargo, es el papel clave que otro tipo de ARN diferente juega en el proceso; el ARN que constituye el núcleo enzimático del ribosoma, la enzima que, dirigida por el ARN mensajero, conecta entre sí a los monómeros de la proteína.

Estas moléculas de ARN, llamadas “ARNr”, de ARN ribosómico, son cadenas de monómeros semejantes a los monómeros del ADN. Pero estas moléculas tienen también una función enzimática que depende de su conformación tridimensional; sus secuencias las dirigen para plegarse en una estructura que puede realizar una función enzimática. De esta forma son parecidas a las proteínas que también se pliegan en conformaciones funcionales para realizar sus trabajos. A pesar de esta forma, siguen siendo un polímero que, en principio, puede utilizarse como plantilla o patrón para replicarse a sí mismos, de forma muy parecida al ADN. Aunque no es posible mostrar una estructura completa del ARNr aquí, por lo larga que es la molécula, podemos utilizar una ribozima menor para ilustrar sus características: una cadena de monómeros de nucleótidos que se pliega para formar una enzima activa basada en su conformación tridimensional:

Imagen: William G. Scott. [CC BY-SA 3.0].

 

Dado que el ARN puede tener características parecidas tanto a las del ADN como a las de las proteínas, no resulta sorprendente que los investigadores hayan planteado que el ARN, de hecho, les precede a ambos. Desde el principio de esta hipótesis, uno de los objetivos claves de los investigadores que trabajan sobre el mundo de ARN ha sido el identificar una ribozima autorreplicante de ARN. Esa molécula tendría los elementos esenciales de la evolución: un genoma sometido a mutación que por ello produce “descendientes” genéticamente diferentes que estarían sujetos a la selección natural.

 

Retos y dificultades

Uno de los principales problemas de la hipótesis del mundo de ARN, de entre los muchos que hay porque no es en vano un área de frontera, es que, por lo que podemos decir, una molécula autorreplicante de ribozima de ARN tiene que ser bastante compleja. A día de hoy, los científicos no han sido capaces de identificar una secuencia de ARN que sea capaz de ser un replicador general de ARN, y moléculas de ARN que tengan al menos cierta capacidad para replicar el ARN tienden a ser bastante largas, es decir, están formadas por muchos bloques. La posibilidad de que una molécula tal surgiera espontáneamente en una mezcla prebiótica de sustancias químicas es extraordinariamente baja, incluso si se garantizara un ambiente en el que las sustancias químicas requeridas fueran comunes (un problema en concreto que trataremos más adelante).

Una conjetura relacionada con este tema es la idea de que la ribozima de ARN autorreplicante original no era una molécula única, sino más bien una colección de moléculas; una especie de ecosistema molecular en el que una serie de moléculas menores de ARN contribuyen a la replicación de todo el conjunto. Este sistema podría ser más fácil que surgiera por casualidad (porque cada molécula individual es menos compleja) o, a la inversa, tal sistema sería más fácil de desarrollar a partir de algún sistema precursor todavía, hoy por hoy, desconocido.

Aunque aparentemente inverosímil, esta idea recibió recientemente cierto apoyo empírico (Ver Vaidya N. et al. “Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators” in Nature 21012 Nov 1; 291(7422):72-7). En este trabajo, un grupo de investigación refiere en sus resultados que sistemas catalíticos autosostenibles de pequeñas moléculas de ARN pueden surgir de forma espontánea a partir de poblaciones mixtas de precursores de ARN, y que tales sistemas pueden evolucionar hacia una mayor complejidad con el tiempo. Aún lejos de resolver todos los problemas con la hipótesis del mundo de ARN, estos resultados indican que la primera enzima de ARN replicante dependiente de ARN era de hecho un conjunto de moléculas de ARN pequeñas, más sencillas, en lugar de una grande y compleja.

 

Más retos y más dificultades

A pesar de estos recientes avances, sigue vigente una de las viejas objeciones a la hipótesis del mundo de ARN: la dificultad de los precursores requeridos surgiendo directamente a través de la química prebiótica. Las ribozimas de ARN, aunque son más simples que la vida celular, son en sí mismas bastante complejas y se formaron a partir de precursores relativamente complejos. Aunque las pruebas de que disponemos sugieren que la vida apareció a través del estadio de un mundo de ARN, ningún trabajo reciente ha logrado demostrar un trayectoria fácil por la que ese mundo hubiera podido formarse directamente a partir de componentes no vivos. Por ello, algunos científicos han empezado a buscar otros “mundos”; mundos más simples que antecedieran al mundo de ARN y que hubieran podido servir como una etapa intermedia en el gradiente entre la química de la no-vida y la vida basada en el ARN. Aunque este trabajo es, por su naturaleza, bastante especulativo, porque después de todo es una frontera de la frontera, el trabajo reciente ha apoyado la hipótesis de que el ARN pudiera haber sido precedido por una química más sencilla, más susceptible de un ensamblaje espontáneo en una mezcla química prebiótica. En los años venideros será interesante ver si alguna de estas hipótesis gana más apoyo. Después de todo, para un investigador científico, las fronteras son las zonas más interesantes y pocas áreas en la evolución se encuentran más en la frontera que el trabajo sobre la abiogénesis.

Así que, ¿resolverá la ciencia en algún momento el problema de la abiogénesis? Tal vez no, aunque cuando reflexiono sobre el hecho de que sólo han pasado 400 años desde los tiempos de Galileo, me doy cuenta de que muchos otros problemas científicos, aparentemente insolubles, sí se han llegado a resolver. Y como Bonhoeffer, yo disfruto con estos avances científicos que nos dan una imagen todavía más grandiosa de Dios y de su fidelidad a su creación.

En el siguiente artículo de esta serie nos desplazaremos a otro área de frontera de la Biología evolutiva: el debate en curso entre los que contemplan la evolución como un proceso fundamentalmente convergente, y los que la ven como un proceso más bien dependiente de sucesos aleatorios, es decir, como un proceso contingente.

Lecturas complementarias



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