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Columna de Ciencia y Tecnología

Niles Lehman

14.06.2017

Imagine un mundo sin plantas ni animales, pero sin embargo rebosante de vida. Imagine además a ese mundo sin organismos como bacterias virus u organismos celulares de cualquier tipo... y a pesar de eso, pletórico de vida. ¿Cómo sería un mundo así? ¿Podría existir?

Este mundo singular con vida pero sin organismos podemos estar prácticamente seguros que existió en la Tierra, algo así como 4 mil millones de años atrás, cuando el planeta era relativamente joven. Aunque obviamente, sin organismos, la vida no puede haber sido como la conocemos hoy. Más bien, debe haber sido una "extraña" colección de moléculas moviéndose en el medio y reaccionando entre si para producir más moléculas. Seguramente que Ud. piensa que esto no se parece a la "vida". Efectivamente, probablemente no lo hace. Sin embargo, si en determinado momento, estas nuevas moléculas que se producían se parecían a las previas, aunque con algunas pequeñas diferencias que afectaban ligeramente su comportamiento, bien, entonces es necesario reconocer que ya comienza a parecerse a la vida. Debemos notar que estamos hablando de vida molecular, y esta forma "cruda" debe haber precedido a la vida celular. Y el mejor candidato que conocemos para haber "vivido" en ese mundo es el ácido ribonucleico, mejor conocido como ARN. Esta molécula está constituída por cuatro ladrillos llamados citidina (C), uracilo (U), guanosina (G) y adenosina (A), que pueden estar en cualquier orden.

La idea de que el ARN fue el protagonista en lo que se refiere a la vida en la "joven Tierra" nace aproximadamente a principios de los '60s cuando todos los distintos ARNs en la célula estaban siendo descubiertos. En algún sentido, sin embargo, el Mundo del ARN (como es conocido actualmente) tiene sus raíces en la idea de Darwin del "Pequeño Estanque Caliente", quien la expuso aproximadamente en 1871 en una carta a uno de sus amigos. Imaginemos ahora el mencionado estanque caliente en la joven Tierra, estando el mismo lleno de largas cadenas de ARN , intereactuando entre sí, con sales y con otros productos químicos para "fabricar" nuevos ARNs. Llegados a este punto, el lector de esta columna estará comenzando a concebir la vida molecular: el tipo de vida que científicos de todo el mundo están tratando de crear en el laboratorio y buscan en sitios del sistema solar como meteoros, cometas, Marte y en las lunas de algunos de los planetas. De hecho hay varias grandes reuniones cada pocos años de esa clase de especialistas que esperan comprender la "vida molecular" y su transición a la "vida celular". Una de esas reuniones es llevada adelante por la Sociedad Internacional para el Estudio del Origen de la Vida, que se reúne cada tres años. La última reunión fue en 2014 en Nara, Japón; y la correspondiente a este año tendrá lugar en San Diego, en Estados Unidos.

El ARN parece ser un buen candidato para haber sido la primer molécula viviente por varias razones. Naturalmente, nunca sabremos con certeza cuáles productos químicos fueran la chispa de la vida en la Tierra... a no ser que inventemos una máquina del tiempo y viajemos hacia el pasado unos 4000 millones de años. Las moléculas prácticamente no dejan registros fósiles. Sin embargo, hay una cantidad suficiente de evidencia circunstancial que apunta al ARN... o algo extremadamente similar al ARN... como el ancestro de toda la vida. Primero, está el simple hecho de que la "moneda" energética de todas las células es una molécula llamada adenosina tri fosfato (ATP), y es, de hecho, un pequeño ARN. Este hecho proporciona una fuerte conexión entre la energía y la información, y el "pegamento" que hace esta conexión es, precisamente, el ARN. Segundo, el ribosoma, que es la maquinaria celular que fabrica proteínas a partir de un mensaje de ARN (ARN mensajero) es, en sí mismo, un complejo hecho, en parte, por ARN. De hecho, en el año 2000 se descubrió que el núcleo del ribosoma -donde suceden las reacciones para unir a los aminoácidos y construir las proteínas- está compuesto exclusivamente por ARN. Por lo tanto, existe evidencia muy fuerte que señala que el ARN es previo a la existencia de las proteínas. Y el descubrimiento de esta estructura del ribosoma les valió el Premio Nóbel en Química (en el 2009) a Ada Yonath, Tom Steitz y Venkatraman Ramakrishnan. Y tercero, en otro hallazgo que terminó en el Premio Nóbel, se descubrió en los 80´s del siglo pasado que el ARN puede ser un catalizador, o sea que puede acelerar reacciones químicas igual que las enzimas proteicas. Estas tres piezas del puzzle, junto otros indicios, sugieren fuertemente que el ARN fue en realidad nuestra verdadera molécula ancestral.

Si esta columna ha sido clara, quizás el lector pueda percibir cómo el ARN pudo haber sido un "primer intérprete" clave en la orquesta de la vida. Pero... ¿de dónde vino el ARN, cómo evolucionó para dar lugar a las bacterias, plantas y animales que pueblan hoy la Tierra? Estas dos preguntas son excelentes y motivan a miles de investigadores en muchísimos países al día de hoy.

El origen real del ARN es una pregunta abierta. Nuestra incerteza en este punto llevó inclusive a que mucha gente cuestione la validez de la hipótesis del Mundo del ARN, y de hecho ha sido utilizada por detractores de la ciencia para desafiar y cuestionar la lógica de la evolución. En parte esto se debe al hecho de que el ARN es una molécula muy inestable y tiende a romperse espontáneamente en el tubo de ensayo. Su vida media en la célula es típicamente de pocos minutos hasta un máximo de días. Un gran químico pre-biótico ya fallecido, llamado Robert Shapiro, puso el acento este aspecto para afirmar en su libro "Orígenes" (publicado en 1986) que la vida no podría haberse iniciado con el ARN. Sin embargo, en el último par de décadas hemos aprendido bastante acerca de cómo una molécula tan frágil podría haber sido sintetizada espontáneamente en la sopa prebiótica. Hay varias vías promisorias a partir de moléculas simples, disponibles en forma abiótica como el formaldehído y el ácido cianhídrico. Un ejemplo extraordinario fue obtenido por el químico británico John Sutherland y su equipo en el 2009. Ellos mezclaron cianamida, cianoacetileno, glicolaldehído, gliceraldehído y fosfato inorgánico en un frasco, et voilà, en unas pocas horas bajo condiciones relativamente suaves, se obtuvo una cantidad razonable de uno de los cuatro ribonucleótidos: citidina (o sea, C). Este mismo equipo y otros, han mostrado la síntesis similar de los otros tres bloques estructurales del ARN (A, U y G), y han logrado inclusive "ponerlos juntos" y lograr, por tanto, cadenas cortas de ARN.

Experimentos como estos no nos dicen con absoluta certeza que el ARN fue hecho de esta manera en la Tierra prebiótica, pero claramente indican que pudo haber sucedido, y sin demasiada dificultad.

Construir moléculas grandes a partir de pequeñas y entoncer intentar comprender cómo las "grandes" dieron lugar, en último término, a la vida celular es otra pregunta abierta, y es precisamente el objeto de mi investigación. En mi opinión el mejor escenario para ir de "pequeño a grande" debe haber sido una serie de reacciones de intercambio ente moléculas de ARN, o sea lo que yo llamo recombinación (haciendo un paralelismo con la recombinación genética muy estudiada ente moléculas de ADN). Dos moléculas de ARN de tamaño mediano pueden unirse entre sí, iniciar una reacción química y el resultado podría ser una molécula más grande y otra más pequeña. Típicamente, sería la molécula grande la que pasaría por distintos procesos evolutivos, dando lugar, con suficiente tiempo, a entidades tan importantes en la célula como por ejemplo los ribosomas. En determinado punto, naturalmente, los ARNs deberían haberse hecho camino dentro de las células primitivas, las que le ofrecerían protección del medio ambiente así como otro tipo de ventajas evolutivas.

Esta historia podrá no parecerles convincentes a algunos lectores. Pero, como afirmó el bioquímico de Nueva Zelanda Harold Bernhardt, el Mundo del ARN "es la peor teoría acerca de la evolución temprana de la vida (excepto todas las demás)". Sin importar demasiado cómo cada uno concibe a la materia, esta idea indudablemente nos permitió una forma razonable de explorar cómo empezó la vida. Además, también se puede decir que seguimos viviendo en un Mundo de ARN. Efectivamente, algunas investigaciones recientes han mostrado que una parte sustantiva del control de las funciones celulares (específicamente, la regulación de la expresión génica) está controlada por pequeñas moléculas de ARN que dirigen el flujo del tráfico en la célula como maestros de orquesta en miniatura. Hasta se podría decir que la pared celular de las bacterias, los dientes de un jaguar y las hojas de una planta son, en realidad, formas que encontró el ARN para hacer más ARN!

Niles Lehman es Profesor de Química en la Universidad Estatal de Portland, en Oregon, EEUU. Fue Profesor Asistente en el Departamento de Ciencias Biológicas en la Universidad de Albany, Nueva York, entre 1997 y 2001. Anteriormente (1995-1997) fue Profesor en la Universidad Estatal de California en Long Beach. Obtuvo su BSc en 1984, la Maestría en 1986 (ambos títulos en la Universidad de California en Berkeley) y su Doctorado en 1990 en la Universidad de California en Los Angeles. Su principal interés de investigación radica en la evolución molecular y la bioquímica de ARN catalítico (ribozimas) y la investigación en su laboratorio utiliza técnicas de evolución in vitro para descubrir secuencias de ARN con nuevas (o mejoradas) funciones. Además es el Editor en Jefe de la revista Journal of Molecular Evolution.

 

Por entregas anteriores de nuestra Columna de Ciencia y Tecnología, visite aquí.



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