Representación artística de QT45 (basada en la predicción de AlphaFold3) superpuesta a una imagen de microscopía del entorno congelado que ayuda a la replicación del ARN.
Elfy Chiang, imagen de microscopía de James Attwater
Según la hipótesis del mundo del ARN, la vida comenzó cuando las moléculas de ARN desarrollaron la capacidad de hacer más copias de sí mismas. Ahora hemos descubierto una molécula de ARN que es casi capaz de hacer esto: puede llevar a cabo los pasos clave involucrados, pero no todos a la vez.
“Ha sido una larga búsqueda llegar al punto en el que puedas convencerte de que el ARN tiene la capacidad de producirse a sí mismo en las condiciones adecuadas. Creo que esto demuestra que es posible”, afirma Philipp Holliger del Laboratorio de Biología Molecular del MRC en Cambridge, Reino Unido.
En las células vivas, las proteínas llevan a cabo tareas clave, como catalizar reacciones químicas, y las recetas para producirlas se almacenan en moléculas de ADN de doble cadena. El ARN es un primo químico del ADN que generalmente existe en forma de hebras individuales.
No es tan bueno para almacenar información como el ADN porque es menos estable, pero puede hacer algo que el ADN no puede: plegarse para formar enzimas similares a proteínas que pueden catalizar reacciones químicas. Dado que el ARN puede almacenar información y actuar como catalizador, ya en la década de 1960 se sugirió que la vida podría haber comenzado con moléculas de ARN capaces de catalizar su propia formación.
Pero encontrar tales moléculas ha resultado realmente difícil. Los investigadores habían asumido durante mucho tiempo que los ARN autorreplicantes debían ser relativamente grandes y complejos, pero resulta muy difícil desplegar ARN grandes para replicarlos.
Es más, si bien se ha demostrado que moléculas de ARN relativamente cortas pueden formarse espontáneamente en las condiciones adecuadas, es muy poco probable que lo hayan hecho moléculas grandes.
“Esto nos llevó a pensar, bueno, tal vez estemos equivocados. Tal vez algo simple, algo pequeño, podría llevar a cabo este proceso”, dice Holliger. “Y entonces fuimos a buscar y encontramos uno”.
Los ARN están formados por bloques de construcción llamados nucleótidos. El equipo comenzó generando un billón de secuencias aleatorias de 20, 30 o 40 nucleótidos de longitud. De estos, eligieron tres que podrían llevar a cabo reacciones como unir nucleótidos. Los tres se unieron y se sometieron a varias rondas de evolución: cambiando aleatoriamente o mutando partes de la secuencia y seleccionando las variantes de mejor rendimiento.
La molécula resultante, llamada QT45, tiene sólo 45 nucleótidos de largo. En agua alcalina que está justo por encima del punto de congelación, puede utilizar ARN monocatenario como plantilla para formar hebras complementarias uniendo hebras cortas de dos o tres nucleótidos, incluso creando una secuencia complementaria a la suya. “Actualmente es bastante lento y de bajo rendimiento, pero eso no es una sorpresa”, dice Holliger.
QT45 también puede hacer más copias de sí mismo a partir de esas hebras complementarias. “Se trata, por primera vez, de un fragmento de ARN que puede producirse a sí mismo y a su cadena codificante, y esas son las dos reacciones constituyentes de la autorreplicación”, dice Holliger. Pero hasta ahora, el equipo no ha logrado que ambas reacciones ocurran en el mismo contenedor. El plan ahora es hacer evolucionar aún más la molécula y experimentar con condiciones como ciclos de congelación y descongelación para ver si ambas reacciones pueden ocurrir al mismo tiempo.
“Lo más interesante es que, una vez que el sistema comienza a autorreplicarse, debería volverse autooptimizante”, afirma Holliger. Esto se debe a que el proceso plagado de errores producirá muchas variaciones, algunas de las cuales pueden funcionar mejor, producir más de sí mismas, etc.
“Los nuevos resultados del laboratorio Holliger son excepcionales y un avance significativo, que acerca aún más las cosas a un ARN totalmente autorreplicante”, dice Sabine Müller de la Universidad de Greifswald en Alemania.
“Quizás el aspecto más significativo de este hallazgo sea descubrir una secuencia de oligómero de ARN de tamaño moderado con estas capacidades de autosíntesis”, dice Zachary Adam de la Universidad de Wisconsin-Madison.
Sólo el número de secuencias de ARN de 45 nucleótidos de longitud es “inimaginablemente grande”, señala Adam, por lo que el equipo hizo bien en encontrar QT45 a partir de un punto de partida de sólo un billón de secuencias aleatorias.
En la Tierra primitiva, moléculas similares a QT45 podrían haber podido autorreplicarse en un entorno un poco parecido a la Islandia actual, dice Holliger, con hielo presente, pero también actividad hidrotermal para impulsar ciclos de congelación y descongelación y crear gradientes de pH. Sería necesario algún tipo de compartimentación para aislar los componentes clave, piensa, pero hay muchas maneras en que esto puede suceder, desde bolsas de agua derretida en hielo hasta vesículas similares a células que se forman espontáneamente a partir de ácidos grasos.
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química /orígenes de la vida