Las reacciones químicas impulsadas por las condiciones geológicas de la Tierra primitiva podrían haber llevado a la evolución prebiótica de moléculas autorreplicantes. Los científicos de Ludwig-Maximilians Universitaet (LMU) en Munich ahora informan sobre un mecanismo hidrotermal que podría haber promovido el proceso.

La vida es producto de la evolución por selección natural. Esa es la lección para llevar a casa del libro de Charles Darwin "El origen de las especies, "publicado hace más de 150 años. Pero, ¿cómo comenzó la historia de la vida en nuestro planeta? ¿Qué tipo de proceso podría haber llevado a la formación de las formas más tempranas de las biomoléculas que conocemos ahora? que posteriormente dio lugar a la primera celda? Los científicos creen que en la (relativamente) joven Tierra, los entornos deben haber existido, que favorecen el prebiótico, evolución molecular. Un grupo dedicado de investigadores está involucrado en los intentos de definir las condiciones bajo las cuales los primeros pasos tentativos en la evolución de moléculas poliméricas complejas a partir de precursores químicos simples podrían haber sido factibles. "Para que todo el proceso comience, La química prebiótica debe integrarse en un entorno en el que una combinación adecuada de parámetros físicos haga que prevalezca un estado de no equilibrio. "explica el biofísico de LMU Dieter Braun. Junto con colegas del Instituto Salk en San Diego, él y su equipo han dado ahora un gran paso hacia la definición de tal estado. Sus últimos experimentos han demostrado que la circulación de agua tibia (proporcionada por una versión microscópica de la Corriente del Golfo) a través de los poros de la roca volcánica puede estimular la replicación de cadenas de ARN. Los nuevos hallazgos aparecen en la revista. Cartas de revisión física .

Como portadores de información hereditaria en todas las formas de vida conocidas, El ARN y el ADN están en el centro de la investigación sobre los orígenes de la vida. Ambas son moléculas lineales compuestas por cuatro tipos de subunidades llamadas bases, y ambos pueden replicarse y, por lo tanto, transmitirse. La secuencia de bases codifica la información genética. Sin embargo, las propiedades químicas de las cadenas de ARN difieren sutilmente de las del ADN. Mientras que las cadenas de ADN se emparejan para formar la famosa doble hélice, Las moléculas de ARN pueden plegarse en estructuras tridimensionales que son mucho más variadas y funcionalmente versátiles. En efecto, Se ha demostrado que las moléculas de ARN específicamente plegadas catalizan reacciones químicas tanto en el tubo de ensayo como en las células, tal como lo hacen las proteínas. Por tanto, estos ARN actúan como enzimas, y se conocen como "ribozimas". La capacidad de replicar y acelerar las transformaciones químicas motivó la formulación de la hipótesis del "mundo del ARN". Esta idea postula que, durante la evolución molecular temprana, Las moléculas de ARN sirvieron como almacenes de información como el ADN, y como catalizadores químicos. Este último papel lo desempeñan las proteínas en los organismos actuales, donde los ARN son sintetizados por enzimas llamadas ARN polimerasas.

Se han creado ribozimas que pueden unir cadenas cortas de ARN, y algunas que pueden replicar moldes de ARN cortos, mediante mutación y selección darwiniana en el laboratorio. En el nuevo estudio se utilizó una de estas ribozimas "ARN polimerasa".

La adquisición de la capacidad de autorreplicación del ARN se considera el proceso crucial en la evolución molecular prebiótica. Para simular las condiciones en las que el proceso podría haberse establecido, Braun y sus colegas establecieron un experimento en el que una cámara cilíndrica de 5 mm sirve como el equivalente a un poro en una roca volcánica. En la Tierra primitiva, las rocas porosas habrían estado expuestas a gradientes naturales de temperatura. Los fluidos calientes que se filtran a través de las rocas debajo del lecho marino habrían encontrado aguas más frías en el fondo del mar, por ejemplo. Esto explica por qué los respiraderos hidrotermales submarinos son el escenario ambiental del origen de la vida más favorecido por muchos investigadores. En poros minúsculos, las fluctuaciones de temperatura pueden ser muy considerables, y dan lugar a corrientes de convección y transferencia de calor. Estas condiciones se pueden reproducir fácilmente en el laboratorio. En el nuevo estudio, el equipo de LMU verificó que tales gradientes pueden estimular en gran medida la replicación de secuencias de ARN.

Un problema importante con el escenario impulsado por ribozimas para la replicación del ARN es que el resultado inicial del proceso es un ARN bicatenario. Para lograr la replicación cíclica, las hebras deben estar separadas ('fundidas'), y esto requiere temperaturas más altas, que es probable que desarrollen e inactiven la ribozima. Braun y sus colegas ahora han demostrado cómo se puede evitar esto. "En nuestro experimento, El calentamiento local de la cámara de reacción crea un gradiente de temperatura pronunciado, que establece una combinación de convección, termoforesis y movimiento browniano, "dice Braun. La convección agita el sistema, mientras que la termoforesis transporta moléculas a lo largo del gradiente de una manera dependiente del tamaño. El resultado es una versión microscópica de una corriente oceánica como la Corriente del Golfo. Esto es esencial ya que transporta moléculas de ARN cortas a regiones más cálidas, mientras que el más grande, La ribozima sensible al calor se acumula en las regiones más frías, y está protegido contra la fusión. En efecto, Los investigadores se sorprendieron al descubrir que las moléculas de ribozima se agregaban para formar complejos más grandes, lo que mejora aún más su concentración en la región más fría. De este modo, la vida útil de las ribozimas lábiles podría extenderse significativamente, a pesar de las temperaturas relativamente altas. "Eso fue una completa sorpresa, "dice Braun.

Las longitudes de las hebras replicadas obtenidas son todavía comparativamente limitadas. Las secuencias de ARN más cortas se duplican de manera más eficiente que las más largas, de manera que los productos dominantes de la replicación se reduzcan a una longitud mínima. Por eso, verdadera evolución darwiniana, que favorece la síntesis de cadenas de ARN progresivamente más largas, no ocurre en estas condiciones. "Sin embargo, basado en nuestros cálculos teóricos, estamos seguros de que es factible una mayor optimización de nuestras trampas de temperatura, ", dice Braun. Un sistema en el que la ribozima se ensambla a partir de cadenas de ARN más cortas, que puede replicar por separado, es también un posible camino a seguir.