Durante décadas, los químicos han probado teorías sobre cómo comenzó la vida en la Tierra. Una hipótesis ha capturado la imaginación científica durante años: el mundo del ARN. Esta teoría propone que las moléculas prebióticas se unieron desde el principio para formar ARN, las moléculas que llevan instrucciones del ADNen los organismos de hoy. RNA World postula que una vez que el ARN se formó en la Tierra, comenzó a replicarse y luego dio lugar a moléculas como el ADN.
RNA World es una teoría fascinante, dice Ramanarayanan Krishnamurthy, PhD, profesor asociado de química en Scripps Research, pero puede que no sea cierto. El problema es que los ingredientes, como las enzimas, para hacer que RNA World funcione simplemente no lo hicieron 't existe en la Tierra primitiva.
"RNA World ha dado lugar a la idea de que si de alguna manera sintetizas ARN, que puede replicar y catalizar reacciones, todo lo demás sigue automáticamente", dice Krishnamurthy, quien es miembro de la Colaboración Simons en los orígenes de la vida y tiene uncita conjunta con el Centro para la Evolución Química, cofinanciado por el programa de Astrobiología de la NASA y la National Science Foundation. "Ese no es el caso, porque RNA World se basa en la replicación del ARN, lo cual es muy difícil".
Parte del desafío es que las moléculas de ARN forman estructuras estables llamadas dúplex. Estas estructuras tienen lo que se conoce como una fuerte afinidad de unión. Esto significa que las moléculas de ARN tienen dificultades para separarse unas de otras y actuar como plantillas para replicarse aún más en ausencia de enzimas.
Krishnamurthy ahora tiene evidencia experimental para demostrar que el proceso de la vida en la Tierra podría haber comenzado con moléculas que parecían una mezcla de ARN y ADN. En el último número de Química de la naturaleza , él y el primer autor del estudio, Subhendu Bhowmik, PhD, también de Scripps Research, informan que estas moléculas mixtas forman dúplex inestables y tienen una menor afinidad por sí mismas. Sorprendentemente, estas "quimeras" tienen una mayor afinidad por el ARN y el ADN, queles permite actuar como plantillas para hacer ARN o ADN.
De hecho, los investigadores pudieron formar estas quimeras en condiciones de laboratorio y mostraron que tienen el potencial de replicar ARN y ADN, y el ARN y el ADN así formados pueden reproducir las quimeras. Este comportamiento podría conducir a un cruce-amplificación catalítica de ARN y ADN: un paso clave hacia la evolución de organismos complejos.
"Una implicación provocativa de este estudio es que el ARN y el ADN podrían haber aparecido simultáneamente en lugar de la teoría mundial del ARN ampliamente aceptada, donde el ARN aparece primero y luego da lugar al ADN", dice Krishnamurthy. "Esto significa mezclas de ARN y ADNpodría haber coexistido "
En los organismos actuales, el ADN y el ARN desempeñan funciones muy diferentes en nuestras células. El nuevo proyecto respalda experimentalmente la idea de que la vida podría haber surgido de un sistema mucho más desordenado, donde el ARN y el ADN "puro" aún no existían. Como Krishnamurthy dice: "Está bien no tener una química limpia"
En el trabajo encabezado por Bhowmik, investigador asociado en el laboratorio de investigación Scripps de Krishnamurthy, el equipo también creó moléculas mixtas "heterogéneas" hechas de ARN y una molécula sintética llamada TNA, que se ha propuesto que sea un ancestro plausible de ARN "pre-RNA ". TNA es muy similar al ARN, pero los científicos han reemplazado un tipo de molécula de azúcar ribosa por otra treosa. Esto permite que TNA se empareje con ARN y ADN. Krishnamurthy y Bhowmik dicen que una molécula como TNApodría haber realizado este emparejamiento cruzado al comienzo de la evolución, lo que lleva a la formación de TNA y ARN lado a lado.
Al mezclar ARN-ADN, los investigadores demostraron que podría haber sido posible formar una molécula mixta que podría funcionar como plantillas para ARN y ADN. Esta molécula mixta también es un sistema de alta energía en el sentido de que forma dúplex inestablesLa nueva investigación muestra que estos dúplex inestables sistemas de mayor energía son capaces de generar ARN y ADN, que forman dúplex más estables sistemas de menor energía. Por lo tanto, existe un movimiento termodinámicamente favorable de los sistemas quiméricos menos estables., de mayor energía a sistemas homogéneos más estables, de menor energía.
"Un sistema híbrido como estos podría haber ayudado en la evolución de sistemas homogéneos", dice Bhowmik.
Nunca sabremos exactamente cómo se formó la vida temprana, pero los experimentos al menos muestran reacciones químicas que podrían haber conducido a las secuencias de ARN y ADN puras que sustentan la vida actual. El trabajo también respalda los hallazgos de un estudio de investigación de Scripps 2018, que mostró cómo una bacteria diseñada puede funcionar con un genoma mixto de ARN-ADN.
Krishnamurthy dice que la investigación en el futuro debería centrarse en qué ingredientes necesarios para las quimeras de ARN-ADN habrían estado disponibles en la Tierra prebiótica. Los científicos utilizaron varias moléculas que probablemente no estaban disponibles en ese momento, aunque deberían haber existido ingredientes similares. El nuevo estudio proporcionainvestigadores una "prueba de principio" de que estas reacciones puede trabajo, y Krishnamurthy planea seguir con más experimentos para explorar las vías de cómo las moléculas de la vida podrían haberse unido. "Este estudio es el primer paso en esa dirección", dice.
Krishnamurthy también está interesado en cómo podrían usarse las quimeras de ARN-ADN en los estudios de química médica. Él dice que estos sistemas mixtos pueden ayudar a los investigadores a superar algunos desafíos en la secuenciación genética.
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación Scripps . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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