Antes de que los seres vivos que contenían ADN colonizaran la Tierra, ya existía en la Tierra prehistórica una amplia variedad de moléculas simples de ARN. Ahora los investigadores han recreado en el laboratorio las condiciones en las que estas moléculas de ARN adquirieron la capacidad de potenciarse entre sí. Estas condiciones marcan el inicio de la evolución hacia seres vivos más complejos. Según esto, la evolución comenzó a nivel molecular mucho antes de que existieran las células, con enzimas de ARN individuales que copiaban de forma fiable otras moléculas de ARN. Con este conocimiento, ahora se podría recrear en el laboratorio el antiguo “mundo del ARN”.
La vida en la Tierra se desarrolló hace miles de millones de años a partir de unos pocos pequeños componentes básicos de la vida. Mucho antes de que existieran, las células ya contenían varias moléculas de ARN. Durante una era de la historia de la Tierra, estos dominaron la vida terrestre, según la teoría científica común del «mundo del ARN». Algunas de estas moléculas de ARN asumieron el trabajo del ADN posterior al almacenar información genética y transmitirla de generación en generación. Otras moléculas de ARN, como las proteínas que evolucionaron más tarde, funcionaban como enzimas que catalizaban y aceleraban reacciones bioquímicas. Estas enzimas de ARN también se denominan ribozimas y todavía existen en menor medida. Pero ¿qué papel tenían en el “mundo del ARN” de aquella época?
Evolución de las moléculas de ARN.
Un equipo dirigido por Nikolaos Papastavrou del Instituto Salk de California ha examinado la cuestión con más detalle. «Estamos siguiendo el comienzo de la evolución», dice el autor principal Gerald Joyce, también del Instituto Salk. “Nos preguntamos cuándo la vida adquirió la capacidad de mejorar”, añade Papastavrou. En concreto, los investigadores analizaron qué condiciones eran necesarias para que las moléculas individuales de ARN se desarrollaran aún más, de modo que de ellas pudieran surgir componentes básicos optimizados de la vida. Para ello, los investigadores han desarrollado una enzima de ARN cuya tarea es catalizar la replicación de otras moléculas de ARN: la llamada ARN polimerasa. Esta ribozima era inicialmente muy simple, sólo podía copiar hebras cortas de ARN y cometía muchos errores. En base a esto, Papastavrou y sus colegas modificaron gradualmente la enzima ARN utilizando el método de evolución dirigida. Decenas de ciclos de mutación y selección han producido variantes enzimáticas capaces de hacer cada vez mejor su trabajo y con menos errores.
Esto demostró que a partir de cierto punto la enzima ARN se optimizó hasta el punto de que podía copiar de forma fiable moléculas de ARN aún más largas. Sin embargo, persistía una tasa de error de alrededor del 10%, lo que aún permitía variaciones y mutaciones ventajosas en el objeto copiado. A lo largo de varios ciclos de copia, la secuencia de ARN copiada cambió, de modo que esta segunda molécula de ARN finalmente pudo realizar mejor su función, informan los investigadores. Sin embargo, si los investigadores utilizaran la ARN polimerasa original, no optimizada y poco fiable, la secuencia de ARN copiada perdería su función con el tiempo porque acumularía demasiadas mutaciones.
La coevolución sentó las bases de los seres vivos actuales
En general, el estudio sugiere que alguna vez existió un «mundo de ARN» en la Tierra prehistórica en el que la evolución de las enzimas de ARN y otras moléculas de ARN se desarrolló en paralelo. Sin la ARN polimerasa de alta precisión y baja tolerancia a errores, no habrían surgido moléculas de ARN más desarrolladas, y sin la evolución del ARN no habrían existido seres vivos superiores formados por moléculas y células más complejas, incluidos los humanos. “Al descubrir estas nuevas capacidades del ARN, descubrimos los orígenes potenciales de la vida misma y mostramos cómo las moléculas simples pueden haber allanado el camino para la complejidad y diversidad de la vida que vemos hoy”, explica Joyce.
Basándose en los hallazgos, Papastavrou y sus colegas esperan que ahora se puedan reconstruir en el laboratorio antiguas criaturas basadas en ARN. Por lo tanto, esto podría proporcionar más información sobre el comienzo de la vida en la Tierra o incluso en otros planetas. Estos estudios posteriores también podrían aclarar qué condiciones ambientales en la Tierra prehistórica podrían haber impulsado el desarrollo del «mundo del ARN».
Fuente: Nikolaos Papastavrou (Instituto Salk) et al., Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), doi: 10.1073/pnas.2321592121
