Caldo primigenio y la vida en el planeta

La investigación reciente está revelando cómo el caldo primigenio creó los bloques de construcción de aminoácidos pero no hay consenso científico generalizado sobre la evolución de la primera célula en plantas y animales

En el principio, había químicos simples que produjeron aminoácidos, que se convirtieron en las proteínas necesarias para crear células, las cuales se convirtieron en plantas y animales.

La investigación reciente está revelando cómo el ‘caldo primigenio’ creó los bloques de construcción de aminoácidos pero no hay consenso científico generalizado sobre la evolución de la primera célula en plantas y animales. Un nuevo trabajo muestra evidencia de que el código genético se desarrolló en dos etapas y cómo químicos primitivos fueron capaces de evolucionar hasta las primeras células en la Tierra.

Todavía sigue siendo un misterio cómo los bloques de construcción se reunieron por primera vez en las proteínas que forman la maquinaria de todas las células. Ahora, los científicos de la Universidad de Carolina del Norte (UNC), en Estados Unidos, Richard Wolfenden y Charles Carter, han arrojado nueva luz sobre la transición de los bloques de construcción a la vida hace unos 4.000 millones de años.

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«Nuestro trabajo demuestra la estrecha relación entre las propiedades físicas de los aminoácidos, el código genético y el plegamiento de proteínas probablemente esencial desde el principio, mucho antes de la aparición en escena de moléculas grandes y sofisticadas», afirma Carter, profesor de Bioquímica y Biofísica en la Escuela de Medicina de la UNC. «Esta estrecha interacción probablemente es el factor clave en la evolución de la construcción de bloques para los organismos», añade.

Sus hallazgos, publicados en dos artículos en ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’, van en contra del la teoría de la problemática del «mundo del ARN», que postula que el ARN –la molécula que hoy juega un papel en la codificación, regulación y expresión de genes– amergió en sí de la ‘caldo primordial’ de aminoácidos y sustancias químicas cósmicas para dar lugar primero a las proteínas llamadas péptidos cortos y luego a los organismos unicelulares.

Wolfenden y Carter argumentan que el ARN no funcionaba solo; de hecho, no era más probable que el ARN catalizara la formación de péptidos de lo que los péptidos catalizaban la formación de ARN. El hallazgo suma una nueva capa a la historia de cómo la vida evolucionó hace millones de años.

La comunidad científica reconoce que hace 3.600 millones años existía el último ancestro común universal, o LUCA, de todas las cosas que viven actualmente en la Tierra. Es probable que fuera un organismo de una sola célula, con unos pocos cientos de genes, planos completos para la replicación del ADN, síntesis de proteínas y la transcripción del ARN. Tenía todos los componentes básicos –como lípidos– que los organismos modernos poseen. De LUCA hacia adelante, es relativamente fácil ver cómo se desarrolló la vida como la conocemos hoy.

SON PRUEBAS CONTUNDENTES

Sin embargo, antes de hace 3.600 millones años, no hay pruebas contundentes acerca de cómo LUCA surgió de un caldero hirviente de los productos químicos que formaron la Tierra después de la creación del planeta hace alrededor de 4,6 millones de años. Esos productos químicos reaccionaron para formar aminoácidos, que siguen siendo los componentes básicos de las proteínas en nuestras propias células hoy.

«Sabemos mucho sobre LUCA y estamos empezando a aprender acerca de la química que produce bloques de construcción como los aminoácidos, pero entre los dos hay un desierto de conocimiento –señala Carter–. Ni siquiera hemos sabido explorarlo«. La investigación de UNC representa un avance en ese desierto.

«El doctor Wolfenden estableció propiedades físicas de los 20 aminoácidos, y hemos encontrado una relación entre esas propiedades y el código genético», relata Carter. «Ese vínculo nos sugiere que hubo un segundo código anterior que hizo posible las interacciones péptido-ARN necesarias para poner en marcha un proceso de selección que podemos imaginar como la creación de la primera vida en la Tierra».

Por lo tanto, según Carter, el ARN no tuvo que inventarse del caldo primigenio. En su lugar, incluso antes de que hubiera células, parece más probable que hubiera interacciones entre los aminoácidos y los nucleótidos que llevaron a la cocreación de proteínas y ARN.

Las proteínas deben plegarse de forma específica para funcionar correctamente. El primer artículo de ‘PNAS’, dirigido por Wolfenden, muestra que tanto las polaridades de los 20 aminoácidos (la forma en que se distribuyen entre el agua y el aceite) y sus tamaños ayudan a explicar el complejo proceso de plegamiento de proteínas, cuando una cadena de aminoácidos conectados se organiza a sí misma para formar una estructura tridimensional particular que tiene una función biológica específica.

«Nuestros experimentos muestran cómo las polaridades de aminoácidos cambian constantemente a través de una amplia gama de temperaturas de manera que no puedan perturbar las relaciones básicas entre la codificación genética y el plegamiento de proteínas«, relata Wolfenden, profesor de Bioquímica y Biofísica. Esto era importante saber porque cuando la vida se estaba formando inicialmente en la Tierra, las temperaturas eran calientes, probablemente, mucho más calientes de lo que son ahora, o cuándo se establecieron las primeras plantas y animales.

Una serie de experimentos bioquímicos con aminoácidos realizados en el laboratorio de Wolfenden mostraron que dos propiedades —los tamaños y las polaridades de aminoácidos— eran necesarias y suficientes para explicar cómo se comportaron los aminoácidos de proteínas plegadas y que estas relaciones también sucedieron en temperaturas más altas de la Tierra hace 4.000 millones de años.

AMINOACIL-ARNT

El segundo artículo de ‘PNAS’, liderado por Carter, se adentra en cómo enzymas llamadas aminoacil-ARNt sintetasas reconocieron la transferencia del ácido ribonucleico. Esas enzimas traducen el código genético.

«Piense en ARNt como un adaptador -pone como ejemplo Carter–. Un extremo del adaptador lleva un aminoácido particular; el otro extremo lee el modelo genético para ese ácido amino en el ARN mensajero. Cada sintetasa hace coincidir con uno de los 20 aminoácidos con su propio adaptador de modo que el mapa genético en el ARN mensajero fabrica finalmente la proteína correcta cada vez».

El análisis de Carter muestra que los dos extremos diferentes de la molécula de ARNt en forma de L contenían códigos independientes o reglas que especifican qué amino ácido seleccionar. El final de tRNA que lleva el aminoácido ordena los aminoácidos específicamente según el tamaño. El otro extremo de la molécula de ARNt en forma de L se llama el anticodón ARNt. Lee codones, que son secuencias de tres nucleótidos de ARN en mensajes genéticos que seleccionan aminoácidos de acuerdo a la polaridad.

Los hallazgos de Wolfenden y Carter implican que las relaciones entre los ARNt y las propiedades físicas de los aminoácidos –su tamaño y polaridades– fueron cruciales durante la era primitiva de la Tierra. A la luz de los trabajos previos de Carter, con muy pequeños núcleos activos de sintetasas tRNA llamados Urzymes, ahora parece probable que la selección por tamaño precedió a la selección según la polaridad. Esta selección ordenada significa que las primeras proteínas no se plegaban necesariamente en formas únicas y que sus estructuras únicas evolucionaron más tarde.

Carter subraya: «La traducción del código genético es el nexo que conecta la química prebiótica a la biología». Él y Wolfenden creen que la etapa intermedia de la codificación genética puede ayudar a resolver dos paradojas: Cómo surgió la complejidad de la simplicidad y cómo la vida dividió el trabajo entre dos tipos muy diferentes de polímeros: proteínas y ácidos nucleicos.

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