La vida en la Tierra se originó en una asociación íntima entre los ácidos nucleicos instrucciones genéticas para todos los organismos y pequeñas proteínas llamadas péptidos, según dos nuevos documentos de bioquímicos y biólogos de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y la Universidad de Auckland.Su hipótesis de "péptido-ARN" contradice la hipótesis ampliamente difundida del "mundo de ARN", que establece que la vida se originó a partir de ácidos nucleicos y que más tarde evolucionó para incluir proteínas.
Los nuevos documentos - uno en Biología molecular y evolución , el otro en Biosistemas - muestre cómo los estudios experimentales recientes de dos superfamilias de enzimas superan las difíciles preguntas teóricas sobre cómo surgió la vida compleja en la Tierra hace más de cuatro mil millones de años.
"Hasta ahora, se pensaba que era imposible realizar experimentos para penetrar en los orígenes de la genética", dijo el coautor Charles Carter, PhD, profesor de bioquímica y biofísica en la Facultad de Medicina de la UNC ". Pero ahora tenemosdemostró que los resultados experimentales encajan perfectamente con la teoría del 'péptido-ARN', por lo que estos experimentos proporcionan respuestas bastante convincentes a lo que sucedió al comienzo de la vida en la Tierra ".
Los atributos especiales de las versiones ancestrales de estas superfamlies de enzimas, y el sistema de retroalimentación autorreforzante que habrían formado con los primeros genes y proteínas, habrían impulsado la biología temprana e impulsado las primeras formas de vida hacia una mayor diversidad y complejidad, dijeron los investigadores.
El coautor Peter Wills, PhD, profesor de física en la Universidad de Auckland, dijo: "En comparación con la hipótesis del mundo del ARN, lo que hemos descrito es simplemente un escenario mucho más probable para el origen de la vida. Esperamosnuestros datos y la teoría que hemos esbozado en estos documentos estimularán la discusión y la investigación adicional sobre cuestiones relevantes para los orígenes de la vida ".
Los dos científicos son plenamente conscientes de que la hipótesis del mundo del ARN aún domina el campo de investigación del origen de la vida. "Esa teoría es tan atractiva y conveniente que la mayoría de la gente simplemente no cree que haya otra alternativa", dijo Carter ".Pero estamos muy seguros de que la hay "
Antes de que existiera vida en la Tierra, había productos químicos simples. De alguna manera, producían aminoácidos y nucleótidos que eventualmente se convirtieron en las proteínas y los ácidos nucleicos necesarios para crear células individuales. Y las células individuales se convirtieron en plantas y animales. La investigación de este siglo hareveló cómo la sopa química primordial creó los componentes básicos de la vida. También existe un amplio consenso científico sobre el camino histórico por el cual las células evolucionaron en plantas y animales.
Pero aún es un misterio cómo los bloques de construcción de aminoácidos se ensamblaron primero de acuerdo con las plantillas codificadas de ácido nucleico en las proteínas que formaron la maquinaria de todas las células.
La teoría del ARN-mundo ampliamente aceptada postula que el ARN, la molécula que hoy desempeña funciones en la codificación, regulación y expresión de genes, se elevó de la sopa primordial de aminoácidos y productos químicos cósmicos, para eventualmente dar lugar primero a cortoproteínas llamadas péptidos y luego a organismos unicelulares.
Carter y Wills argumentan que el ARN no podría iniciar este proceso solo porque carece de una propiedad que ellos llaman "reflexividad". No puede hacer cumplir las reglas por las cuales está hecho. El ARN necesitaba péptidos para formar el circuito de retroalimentación reflexiva necesario para conducireventualmente a formas de vida.
En el corazón de la teoría del péptido-ARN hay enzimas tan antiguas e importantes que sus restos aún se encuentran en todas las células vivas e incluso en algunas estructuras subcelulares, incluidas las mitocondrias y los virus. Hay 20 de estas enzimas antiguas llamadas aminoacilo-tRNA sintetasas aaRSs.
Cada uno de ellos reconoce uno de los 20 aminoácidos que sirven como los componentes básicos de las proteínas. Las proteínas, consideradas las máquinas de la vida, catalizan y sincronizan las reacciones químicas dentro de las células. En los organismos modernos, un aaRS vincula eficazmente su asignaciónaminoácido a una cadena de ARN que contiene tres nucleótidos complementarios a una cadena similar en el gen transcrito. Por lo tanto, los aaRS juegan un papel central en la conversión de genes en proteínas, un proceso llamado traducción que es esencial para todas las formas de vida.
Las 20 enzimas aaRS pertenecen a dos familias estructuralmente distintas, cada una con 10 aaRS. Los recientes estudios experimentales de Carter mostraron que los dos pequeños ancestros enzimáticos de estas dos familias estaban codificados por cadenas opuestas y complementarias del mismo gen pequeño. La simplicidad de estoEl acuerdo, con su código binario inicial de solo dos tipos de aminoácidos, sugiere que ocurrió en los albores de la biología.Además, la estrecha interdependencia yin-yang de estas dos enzimas relacionadas pero muy distintas habría estabilizado la biología temprana de una maneraeso hizo inevitable la diversificación ordenada de la vida que siguió.
"Estos péptidos interdependientes y los ácidos nucleicos que los codifican habrían podido ayudar a la autoorganización molecular de cada uno a pesar de las continuas interrupciones aleatorias que acosan a todos los procesos moleculares", dijo Carter. "Creemos que esto es lo que dio lugar a unamundo péptido-ARN temprano en la historia de la Tierra ", dijo Carter.
Investigaciones relacionadas realizadas por Carter y su colega de la UNC Richard Wolfenden, PhD, revelaron previamente cómo la química íntima de los aminoácidos permitió que las primeras enzimas aaRS se plegaran adecuadamente en enzimas funcionales, al mismo tiempo que determinaban las asignaciones en la tabla de codificación genética universal.
"La aplicación de la relación entre genes y aminoácidos depende de los aaRS, que están codificados por genes y están hechos de aminoácidos", dijo Wills. "Los aaRS, a su vez, dependen de la misma relación. Hay una base básicareflexividad en el trabajo aquí. El teórico Douglas Hofstadter lo llamó un "circuito extraño". Proponemos que esto también jugó un papel crucial en la autoorganización de la biología cuando comenzó la vida en la Tierra. Hofstadter argumentó que la reflexividad proporciona la fuerza que impulsa el crecimientode complejidad "
Carter y Wills desarrollaron dos razones adicionales por las cuales una biología de ARN puro de alguna importancia era poco probable que haya sido anterior a una biología de péptido-ARN. Una razón es la catálisis: la aceleración de las reacciones químicas que involucran otras moléculas.
La catálisis es una característica clave de la biología que el ARN no puede realizar con mucha versatilidad. En particular, las enzimas de ARN no pueden ajustar fácilmente sus actividades a los cambios de temperatura que probablemente ocurrieron a medida que la tierra se enfriaba, por lo que no pueden realizar el amplio rango de aceleraciones catalíticaseso hubiera sido necesario para sincronizar la bioquímica de las primeras formas de vida basadas en células. Solo las enzimas peptídicas o proteicas tienen ese tipo de versatilidad catalítica, dijo Carter.
En segundo lugar, Wills ha demostrado que obstáculos imposibles habrían bloqueado cualquier transición de un mundo de ARN puro a un mundo de ARN de proteínas y más adelante hacia la vida.
"Tal aumento del ARN a la vida basada en células habría requerido una aparición inesperada de una proteína similar a aRS que funcionó incluso mejor que su contraparte de ARN adaptada", dijo Carter. "Ese evento extremadamente improbable".habría tenido que suceder no solo una vez, sino varias veces, una vez por cada aminoácido en el código genético de proteínas existente. Simplemente no tiene sentido ".
Por lo tanto, debido a que la nueva teoría de Carter-Wills realmente aborda problemas reales del origen de la vida que están ocultos por la conveniencia de la hipótesis del mundo del ARN, en realidad es una explicación mucho más simple de cómo las cosas probablemente ocurrieron justo antes de la vida en la Tierrase levantó de la sopa primordial.
El Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y la Fundación John Templeton financiaron la investigación.
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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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