Nuevas evidencias sobre el mundo ARN: un poco más cerca de entender el origen de la vida

La hipótesis del “mundo ARN” es uno de los pilares de la investigación sobre el origen de la vida. Según ella, antes de la vida tal como la conocemos, debieron formarse moléculas de ARN que asumieron, además de sus funciones actuales, las del ADN y las enzimas. Un interesante estudio reciente, publicado en la revista Nature va un paso más allá.

El artículo muestra que un ARN sencillo puede generar péptidos en las condiciones del “mundo ARN”. Así, actuaría como un antecesor muy simple de la función que lleva a cabo el ribosoma. La química demuestra que la formación abiótica de un híbrido ARN-péptido es posible.

El interés de este trabajo radica en su coherencia con un modelo global. Para los que hemos trabajado en los pasos anteriores en el proceso del origen de la vida, es consistente con el papel de la urea como compuesto clave en el origen de la vida. El trabajo añade otro más a los múltiples roles de esta molécula en el mundo prebiótico: la urea como conector en una síntesis de péptidos primordial.

También es coherente con lo que conocemos sobre biología molecular. Así, este trabajo no es un cambio de paradigma, sino que aclara un malentendido histórico respecto al significado del concepto “mundo ARN”.

Las bases del ADN son adenina, guanina, citosina y timina. Las bases del ARN son adenina, guanina, citosina y uracilo. Las llamamos “bases canónicas”. Son mayoritarias en la estructura de los ácidos nucleicos y responsables del lenguaje del código genético.

Comparación de las estructuras del ADN y el ARN. El ADN se considera un producto tardío de la evolución biológica. El ARN es posiblemente más antiguo, forma muchos tipos de estructuras y necesita nucleótidos no canónicos (en naranja) para ejercer su función. En el ejemplo, el ARN se une con aminoácidos para generar péptidos. C. Menor-Salván/Biorender.com

Es tentador centrarse en las bases canónicas (y sus correspondientes nucleótidos) a la hora de pensar en el origen de la vida.

El ARN es una molécula versátil, que puede actuar como transmisor de la información genética, como catalizador de reacciones químicas (ribozimas), incluyendo su propia síntesis. El lector pensará que, quizás, la vida vino precedida de la formación de moléculas de ARN capaces de generar copias de sí mismas e iniciar la vida (vía 1 en el esquema). Parece lógico que estas moléculas abrieran el camino hacia el origen de las proteínas y el metabolismo. Así, muchos científicos se lanzaron a la tarea de encontrar formas por las que el ARN pudo generarse antes de la vida, a partir de sus componentes canónicos.

Sin embargo, el ARN es paradójico.

Por un lado, pensamos que es tan antiguo que hubo un “mundo ARN” antes de la vida celular.

Por otro lado, es muy difícil que se pueda formar una molécula de ARN en el mundo prebiótico.

Una propiedad de las bases canónicas es que se resisten a la hora de formar nucleótidos y conectarlos, formando ARN. A pesar de los avances recientes, no podemos dar una respuesta clara a éste problema y quizá la vía 1 del esquema no es el camino adecuado. De hecho, se han encontrado las bases canónicas en muestras de meteoritos. Pero no hay en ellos ninguna pista que apunte hacia el ARN; la paradoja del ARN hace improbable que la vida viniera del espacio.

Mapa del ‘mundo ARN’ (muy simplificado. Esto da idea de la dificultad del problema). A partir de precursores químicos universales, podemos tener varias vías de evolución química: la via 1 es la generación y ensamblaje de los componentes canónicos para producir un ARN capaz de replicarse y preparar el origen de las proteínas y el metabolismo. La via 2 ataca el problema de la selección: los componentes no canónicos juegan un papel en la evolución previa al ARN y en el origen de la síntesis de péptidos. Las vias 3 y 4 invierten la idea: a partir de péptidos prebióticos, usados como armazón, evolucionan las primeras estructuras de ARN. En todo caso, un híbrido de ARN y péptidos, como el propuesto por el grupo de Carell, ocupa un lugar central en el mapa. Cesar Menor Salván / www.Biorender.com

Además de dichas dificultades para generar ARN en el mundo prebiótico, hay un problema de selección: ¿por qué el ADN y ARN tienen esta composición? ¿Cómo fueron escogidas las bases canónicas?

No estamos seguros.

En el mundo prebiótico las bases canónicas debieron surgir junto con otras moléculas que pueden ejercer la misma función, incluso más fácilmente: son las bases y nucleótidos no canónicos. En un problema denominado la paradoja del apareamiento de bases vemos que, precisamente, lo difícil es seleccionar las bases canónicas de entre todas las demás.

¿Qué pistas nos da la propia vida?

Una es que el ARN requiere de la presencia de nucleótidos no canónicos para su funcionamiento. El adagio del bachillerato estaba incompleto: la composición del ARN es mucho más compleja e incluye decenas de bases exóticas. Los nucleótidos no canónicos siguen siendo esenciales en la vida actual y son claves en la evolución. Quizá, en el origen de la vida, hubo una molécula similar, previa al ARN actual, en la que los componentes exóticos tuvieron aún más importancia y que evolucionó, manteniendo sólo los componentes no canónicos necesarios (vía 2: el preARN).

El ARN actual sería un producto biológico, no prebiótico, resultado de la evolución del código genético, manteniéndose los componentes no canónicos en forma de modificaciones de bases.

La biología nos enseña también que el ARN y las proteínas siempre van juntos. Ambas interaccionan, se complementan y se necesitan mutuamente. Sabemos que la función del ARN como generador de las proteínas es muy antigua, quizá anterior a la propia vida. Es razonable pensar que ambos tipos de moléculas coexistieran (vías 3 y 4).

Este último estudio muestra que, químicamente, es posible esta vía de coevolución de un modo que conserva la lógica de la vida tal como la conocemos: nucleótidos no canónicos esenciales para la función del ARN y su acción en la síntesis de péptidos como una función primordial, pavimentando el camino hacia la estructura común más antigua y mejor preservada de la vida terrestre: el ribosoma.

El concepto del “mundo ARN” ha sido malentendido en ocasiones. Tal como nos enseñan tanto la química como el ARN de la vida actual, es el conjunto de componentes canónicos, no canónicos y peptídicos lo que hizo posible un camino de evolución química previo a la evolución biológica. El “mundo ARN” es un mundo preARN-péptido.

Afortunadamente, todo esto sigue siendo una cuestión pendiente; aún nos queda mucho por aprender, en un momento apasionante para el conocimiento del origen de la vida en nuestro planeta.

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César Menor-Salván. Profesor Ayudante Doctor. Bioquímica y Astrobiología. Departamento de Biología de Sistemas., Universidad de Alcalá

Este artículo ha sido publicado originalmente en THE CONVERSATION