Todos los seres vivos usan el código genético para "traducir" la información genética basada en el ADN en proteínas, que son las principales moléculas de trabajo en las células. Precisamente cómo surgió el complejo proceso de traducción en las primeras etapas de la vida en la Tierra, más de cuatro mil millonesHace años ha sido misterioso, pero dos biólogos teóricos ahora han hecho un avance significativo en la resolución de este misterio.
Charles Carter, PhD, profesor de bioquímica y biofísica en la Facultad de Medicina de la UNC, y Peter Wills, PhD, profesor asociado de bioquímica en la Universidad de Auckland, utilizaron métodos estadísticos avanzados para analizar cómo encajan las moléculas traslacionales modernas para realizarsu trabajo: vincular secuencias cortas de información genética con los bloques de construcción de proteínas que codifican.
El análisis de los científicos, publicado en Investigación de ácidos nucleicos , revela reglas previamente ocultas por las cuales las moléculas traslacionales clave interactúan hoy. La investigación sugiere cómo los ancestros mucho más simples de estas moléculas comenzaron a trabajar juntos en los albores de la vida.
"Creo que hemos aclarado las reglas subyacentes y la historia evolutiva de la codificación genética", dijo Carter. "Esto no se había resuelto durante 60 años".
Wills agregó: "Los pares de patrones moleculares que hemos identificado pueden ser los primeros que la naturaleza haya usado para transferir información de una forma a otra en organismos vivos".
Los descubrimientos se centran en una molécula en forma de hoja de trébol llamada ARN de transferencia tRNA, un jugador clave en la traducción. Un tRNA está diseñado para transportar un bloque de construcción de proteína simple, conocido como un aminoácido, en la línea de ensamblaje de producción de proteínasdentro de pequeñas fábricas moleculares llamadas ribosomas. Cuando una copia o "transcripción" de un gen llamado ARN mensajero ARNm emerge del núcleo celular y entra en un ribosoma, se une a los ARNt que transportan sus cargas de aminoácidos.
El ARNm es esencialmente una cadena de "letras" genéticas que explican las instrucciones de fabricación de proteínas, y cada ARNt reconoce una secuencia específica de tres letras en el ARNm. Esta secuencia se llama "codón". A medida que el ARNt se une al codón, el ribosoma une su aminoácido con el aminoácido que le precedió, alargando el péptido en crecimiento. Cuando se completa, la cadena de aminoácidos se libera como una proteína recién nacida.
Las proteínas en humanos y la mayoría de las otras formas de vida están hechas de 20 aminoácidos diferentes. Por lo tanto, hay 20 tipos distintos de moléculas de ARNt, cada una capaz de unirse a un aminoácido en particular. La asociación con estos 20 ARNt son 20 enzimas auxiliares correspondientes conocidas comosintetasas sintetasas de aminoacil-ARNt, cuyo trabajo es cargar a sus ARNt asociados con el aminoácido correcto.
"Puede pensar en estas 20 sintetasas y 20 tRNAs colectivamente como una computadora molecular que la evolución ha diseñado para hacer posible la traducción de gen a proteína", dijo Carter.
Los biólogos han estado intrigados durante mucho tiempo por esta computadora molecular y el enigma de cómo se originó hace miles de millones de años. En los últimos años, Carter y Wills han hecho de este enigma su foco principal de investigación. Han demostrado, por ejemplo, cómo las 20 sintetasas, que existen en dos clases estructuralmente distintas de 10 sintetasas, probablemente surgieron de solo dos enzimas ancestrales más simples.
Existe una división de clase similar para los aminoácidos, y Carter y Wills han argumentado que la misma división de clase debe aplicarse a los tRNA. En otras palabras, proponen que al comienzo de la vida en la Tierra, los organismos contenían solo dos tipos de tRNA,que habría trabajado con dos tipos de sintetasas para realizar la traducción de gen a proteína utilizando solo dos tipos diferentes de aminoácidos.
La idea es que a lo largo de los eones este sistema se volvió cada vez más específico, ya que cada uno de los tRNAs, sintetasas y aminoácidos originales fue aumentado o refinado por nuevas variantes hasta que hubo diferentes clases de 10 en lugar de cada uno de losdos ARNt originales, sintetasas y aminoácidos.
En su estudio más reciente, Carter y Wills examinaron los ARNt modernos en busca de evidencia de esta antigua dualidad. Para ello analizaron la parte superior de la molécula de ARNt, conocida como el tallo aceptor, donde se unen las sintetasas asociadas. Su análisis mostró que solotres bases de ARN, o letras, en la parte superior del vástago aceptor llevan un código oculto que especifica reglas que dividen los ARNt en dos clases, que corresponden exactamente a las dos clases de sintetasas ". Son simplemente las combinaciones de estas tres bases las que determinanqué clase de sintetasa se une a cada tRNA ", dijo Carter.
El estudio encontró por casualidad evidencia para otra propuesta sobre los ARNt. Cada ARNt moderno tiene en su extremo inferior un "anticodón" que utiliza para reconocer y adherirse a un codón complementario en un ARNm. El anticodón está relativamente distante del sitio de unión de la sintetasa, pero los científicos desde principios de la década de 1990 han especulado que los ARNt alguna vez fueron mucho más pequeños, combinando las regiones de unión del anticodón y la sintetasa en una. El análisis de Wills y Carter muestra que las reglas asociadas con una de las tres bases determinantes de clase - base número 2 enla molécula de tRNA general: implica efectivamente un rastro del anticodón en una versión antigua y truncada de tRNA.
"Esta es una confirmación completamente inesperada de una hipótesis que ha existido durante casi 30 años", dijo Carter.
Estos hallazgos refuerzan el argumento de que el sistema de traducción original tenía solo dos ARNt primitivos, correspondientes a dos sintetasas y dos tipos de aminoácidos. A medida que este sistema evolucionó para reconocer e incorporar nuevos aminoácidos, nuevas combinaciones de bases de ARNt en la región de unión de la sintetasahabría surgido para mantenerse al día con la creciente complejidad, pero de una manera que dejó rastros detectables de la disposición original.
"Estas tres bases definitorias de clase en los ARNt contemporáneos son como un manuscrito medieval cuyos textos originales han sido borrados y reemplazados por textos más nuevos", dijo Carter.
Los resultados reducen las posibilidades de los orígenes de la codificación genética. Además, reducen el ámbito de los futuros experimentos que los científicos podrían realizar para reconstruir las primeras versiones del sistema de traducción en el laboratorio, y tal vez incluso hacer que este sistema simple evolucione a ser más complejo, formas modernas del mismo sistema de traducción. Esto mostraría aún más cómo evolucionó la vida desde las moléculas más simples hasta las células y los organismos complejos.
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Materiales proporcionado por Cuidado de la salud de la Universidad de Carolina del Norte . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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