Las reacciones químicas impulsadas por las condiciones geológicas en la Tierra primitiva podrían haber llevado a la evolución prebiótica de moléculas autorreplicantes. Los científicos de la Ludwig-Maximilians Universitaet LMU en Munich ahora informan sobre un mecanismo hidrotermal que podría haber promovido el proceso.
La vida es un producto de la evolución por selección natural. Esa es la lección para llevar a casa del libro de Charles Darwin "El origen de las especies", publicado hace más de 150 años. Pero, ¿cómo comenzó la historia de la vida en nuestro planeta? ¿Qué tipo deEl proceso podría haber conducido a la formación de las formas más tempranas de las biomoléculas que conocemos ahora, que posteriormente dieron lugar a la primera célula. Los científicos creen que, en la relativamente joven Tierra, debieron existir ambientes propicios para la formación de prebióticos,evolución molecular. Un grupo de investigadores está comprometido en los intentos de definir las condiciones bajo las cuales los primeros pasos tentativos en la evolución de moléculas poliméricas complejas a partir de precursores químicos simples podrían haber sido factibles ". Para que todo el proceso comience, la química prebiótica debe ser factibleintegrado en un entorno en el que una combinación adecuada de parámetros físicos hace que prevalezca un estado de no equilibrio ", explica el biofísico de LMU Dieter Braun. Junto con sus colegas based en el Instituto Salk en San Diego, él y su equipo han dado un gran paso hacia la definición de dicho estado.Sus últimos experimentos han demostrado que la circulación de agua tibia proporcionada por una versión microscópica de la Corriente del Golfo a través de los poros de la roca volcánica puede estimular la replicación de cadenas de ARN.Los nuevos hallazgos aparecen en la revista Cartas de revisión física .
Como portadores de información hereditaria en todas las formas de vida conocidas, el ARN y el ADN están en el centro de la investigación sobre los orígenes de la vida. Ambas son moléculas lineales compuestas por cuatro tipos de subunidades llamadas bases, y ambas pueden replicarse, ypor lo tanto, se transmiten. La secuencia de bases codifica la información genética. Sin embargo, las propiedades químicas de las cadenas de ARN difieren sutilmente de las del ADN. Mientras que las cadenas de ADN se emparejan para formar la famosa doble hélice, las moléculas de ARN pueden plegarse en estructuras tridimensionales que son muchomás variada y funcionalmente versátil. De hecho, se ha demostrado que las moléculas de ARN específicamente plegadas catalizan reacciones químicas tanto en el tubo de ensayo como en las células, al igual que las proteínas. Por lo tanto, estos ARN actúan como enzimas y se denominan "ribozimas".La capacidad de replicar y acelerar las transformaciones químicas motivó la formulación de la hipótesis del 'mundo del ARN'. Esta idea postula que, durante la evolución molecular temprana, las moléculas de ARN sirvieron a la vezs almacenes de información como el ADN y como catalizadores químicos.Este último papel lo desempeñan las proteínas en los organismos actuales, donde los ARN son sintetizados por enzimas llamadas ARN polimerasas.
Las ribozimas que pueden unir cadenas cortas de ARN, y algunas que pueden replicar moldes de ARN cortos, se han creado mediante mutación y selección darwiniana en el laboratorio. En el nuevo estudio se utilizó una de estas ribozimas de 'ARN polimerasa'.
La adquisición de la capacidad de autorreplicación del ARN se considera el proceso crucial en la evolución molecular prebiótica. Para simular las condiciones bajo las cuales el proceso podría haberse establecido, Braun y sus colegas establecieron un experimento en el que un 5-Una cámara cilíndrica de mm sirve como el equivalente a un poro en una roca volcánica. En la Tierra primitiva, las rocas porosas habrían estado expuestas a gradientes de temperatura naturales. Los fluidos calientes que se filtran a través de las rocas debajo del fondo marino habrían encontrado aguas más frías en el fondo del mar,Por ejemplo. Esto explica por qué los respiraderos hidrotermales submarinos son el escenario ambiental para el origen de la vida más favorecido por muchos investigadores. En los poros diminutos, las fluctuaciones de temperatura pueden ser muy considerables y dar lugar a corrientes de transferencia de calor y convección. Estas condiciones pueden ser fácilmentereproducido en el laboratorio. En el nuevo estudio, el equipo de LMU verificó que tales gradientes pueden estimular en gran medida la replicación de secuencias de ARN.
Un problema importante con el escenario impulsado por ribozimas para la replicación de ARN es que el resultado inicial del proceso es un ARN de doble hebra. Para lograr la replicación cíclica, las hebras deben separarse 'fundirse', y esto requiere temperaturas más altas, que es probable que desarrollen e inactiven la ribozima. Braun y sus colegas han demostrado ahora cómo se puede evitar esto ". En nuestro experimento, el calentamiento local de la cámara de reacción crea un gradiente de temperatura pronunciado, que establece una combinación deconvección, termoforesis y movimiento browniano ", dice Braun. La convección agita el sistema, mientras que la termoforesis transporta moléculas a lo largo del gradiente de una manera dependiente del tamaño. El resultado es una versión microscópica de una corriente oceánica como la Corriente del Golfo. Esto es esencial, ya quetransporta moléculas de ARN cortas a regiones más cálidas, mientras que la ribozima más grande y sensible al calor se acumula en las regiones más frías y está protegida contra la fusión. De hecho, los investigadores se sorprendieron al descubrirVer que las moléculas de ribozima se agregan para formar complejos más grandes, lo que aumenta aún más su concentración en la región más fría.De esta manera, la vida útil de las ribozimas lábiles podría prolongarse significativamente, a pesar de las temperaturas relativamente altas."Fue una sorpresa total", dice Braun.
Las longitudes de las hebras replicadas obtenidas son todavía comparativamente limitadas. Las secuencias de ARN más cortas se duplican de manera más eficiente que las más largas, de modo que los productos dominantes de replicación se reducen a una longitud mínima. Por lo tanto, la verdadera evolución darwiniana, que favorece la síntesis dehebras de ARN progresivamente más largas, no ocurre en estas condiciones. "Sin embargo, según nuestros cálculos teóricos, estamos seguros de que es factible una mayor optimización de nuestras trampas de temperatura", dice Braun. Un sistema en el que la ribozima se ensambla a partir de cadenas de ARN más cortas, que puede reproducir por separado, también es una posible forma de avanzar.
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universität München . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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