La vida en la Tierra se originó en una asociación íntima entre los ácidos nucleicos (instrucciones genéticas para todos los organismos) y pequeñas proteínas llamadas péptidos. según dos nuevos artículos de bioquímicos y biólogos de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y la Universidad de Auckland. Su hipótesis del "péptido-ARN" contradice la hipótesis ampliamente aceptada del "mundo del ARN", que establece que la vida se originó a partir de ácidos nucleicos y solo más tarde evolucionó para incluir proteínas.

Los nuevos papeles - uno en Biología molecular y evolución , el otro en Biosystems:muestra cómo los estudios experimentales recientes de dos superfamilias de enzimas superan las difíciles preguntas teóricas sobre cómo surgió la vida compleja en la Tierra hace más de cuatro mil millones de años.

"Hasta ahora, se ha pensado que es imposible realizar experimentos para penetrar en los orígenes de la genética, "dijo el coautor Charles Carter, Doctor, profesor de bioquímica y biofísica de la Facultad de Medicina de la UNC. "Pero ahora hemos demostrado que los resultados experimentales encajan a la perfección con la teoría del 'péptido-ARN', por lo que estos experimentos proporcionan respuestas bastante convincentes a lo que sucedió al comienzo de la vida en la Tierra ".

Los atributos especiales de las versiones ancestrales de estas superfamilias enzimáticas, y el sistema de retroalimentación autorreforzante que habrían formado con los primeros genes y proteínas, habría impulsado la biología temprana y conducido a las primeras formas de vida hacia una mayor diversidad y complejidad, dijeron los investigadores.

Coautor Peter Wills, Doctor, profesor de física en la Universidad de Auckland, dijo, "En comparación con la hipótesis del mundo del ARN, lo que hemos delineado es simplemente un escenario mucho más probable para el origen de la vida. Esperamos que nuestros datos y la teoría que hemos esbozado en estos artículos estimulen el debate y la investigación adicional sobre cuestiones relevantes para los orígenes de la vida ".

Los dos científicos son plenamente conscientes de que la hipótesis del mundo del ARN todavía domina el campo de investigación del origen de la vida. "Esa teoría es tan atractiva y conveniente que la mayoría de la gente no cree que haya ninguna alternativa, ", Dijo Carter." Pero estamos muy seguros de que lo hay ".

Antes de que hubiera vida en la Tierra había productos químicos simples. De alguna manera, produjeron tanto aminoácidos como nucleótidos que eventualmente se convirtieron en las proteínas y ácidos nucleicos necesarios para crear células individuales. Y las células individuales se convirtieron en plantas y animales. La investigación de este siglo ha revelado cómo la sopa química primordial creó los componentes básicos de la vida. También existe un consenso científico generalizado sobre el camino histórico por el cual las células evolucionaron hasta convertirse en plantas y animales.

Pero sigue siendo un misterio cómo los componentes básicos de los aminoácidos se ensamblaron por primera vez de acuerdo con las plantillas de ácidos nucleicos codificados en las proteínas que formaron la maquinaria de todas las células.

La teoría del mundo del ARN ampliamente aceptada postula que el ARN, la molécula que hoy desempeña un papel en la codificación, regulando, y expresando genes - se elevó a sí mismo de la sopa primordial de aminoácidos y químicos cósmicos, eventualmente para dar lugar primero a proteínas cortas llamadas péptidos y luego a organismos unicelulares.

Carter y Wills argumentan que el ARN no podría poner en marcha este proceso solo porque carece de una propiedad que llaman "reflexividad". No puede hacer cumplir las reglas por las que está hecho. El ARN necesitaba péptidos para formar el circuito de retroalimentación reflexiva necesario para conducir eventualmente a formas de vida.

En el corazón de la teoría del péptido-ARN hay enzimas tan antiguas e importantes que sus restos todavía se encuentran en todas las células vivas e incluso en algunas estructuras subcelulares. incluyendo mitocondrias y virus. Hay 20 de estas antiguas enzimas llamadas aminoacil-tRNA sintetasas (aaRS).

Cada uno de ellos reconoce uno de los 20 aminoácidos que sirven como bloques de construcción de proteínas. (Proteínas, consideradas las máquinas de la vida, catalizar y sincronizar las reacciones químicas dentro de las células.) En los organismos modernos, un aaRS enlaza eficazmente su aminoácido asignado a una cadena de ARN que contiene tres nucleótidos complementarios a una cadena similar en el gen transcrito. Por tanto, los aaRS juegan un papel central en la conversión de genes en proteínas, un proceso llamado traducción que es esencial para todas las formas de vida.

Las 20 enzimas aaRS pertenecen a dos familias estructuralmente distintas, cada uno con 10 aaRS. Los estudios experimentales recientes de Carter mostraron que los dos pequeños antepasados ​​enzimáticos de estas dos familias estaban codificados por opuestos, hebras complementarias del mismo gen pequeño. La sencillez de este arreglo, con su código binario inicial de solo dos tipos de aminoácidos, sugiere que ocurrió en los albores de la biología. Es más, el apretado, La interdependencia yin-yang de estas dos enzimas relacionadas pero muy distintas habría estabilizado la biología primitiva de una manera que hizo inevitable la diversificación ordenada de la vida que siguió.

"Estos péptidos interdependientes y los ácidos nucleicos que los codifican habrían podido ayudar a la autoorganización molecular de los demás a pesar de las continuas alteraciones aleatorias que acosan a todos los procesos moleculares". ", Dijo Carter." Creemos que esto es lo que dio lugar a un mundo de péptido-ARN temprano en la historia de la Tierra, "Dijo Carter.

Investigación relacionada de Carter y su colega de la UNC Richard Wolfenden, Doctor, previamente reveló cómo las químicas íntimas de los aminoácidos permitieron que las primeras enzimas aaRS se plieguen adecuadamente en enzimas funcionales, mientras se determinan simultáneamente las asignaciones en la tabla de codificación genética universal.

"La aplicación de la relación entre genes y aminoácidos depende de los aaRS, que están codificados por genes y hechos de aminoácidos, "Wills dijo." Los aaRS, Sucesivamente, dependen de esa misma relación. Hay una reflexividad básica en juego aquí. El teórico Douglas Hofstadter lo llamó un "bucle extraño". Proponemos que esto, también, Jugó un papel crucial en la autoorganización de la biología cuando comenzó la vida en la Tierra. Hofstadter argumentó que la reflexividad proporciona la fuerza que impulsa el crecimiento de la complejidad ".

Carter y Wills desarrollaron dos razones adicionales por las que era poco probable que una biología de ARN puro de alguna importancia fuera anterior a una biología de péptido-ARN. Una razón es la catálisis:la aceleración de reacciones químicas que involucran a otras moléculas.

La catálisis es una característica clave de la biología que el ARN no puede realizar con mucha versatilidad. En particular, Las enzimas de ARN no pueden ajustar fácilmente sus actividades a los cambios de temperatura que probablemente hayan ocurrido cuando la tierra se enfrió, y, por tanto, no puede realizar la amplia gama de aceleraciones catalíticas que habrían sido necesarias para sincronizar la bioquímica de las formas de vida primitivas basadas en células. Solo las enzimas peptídicas o proteicas tienen ese tipo de versatilidad catalítica, Carter dijo.

En segundo lugar, Wills ha demostrado que obstáculos imposibles habrían bloqueado cualquier transición de un mundo de ARN puro a un mundo de ARN de proteínas y hacia la vida.

"Tal aumento del ARN a la vida basada en células habría requerido una apariencia inesperada de una proteína similar a aaRS que funcionó incluso mejor que su contraparte de ARN adaptado, "Dijo Carter." Ese evento extremadamente improbable habría tenido que ocurrir no solo una sino varias veces, una por cada aminoácido en el código existente de genes y proteínas. Simplemente no tiene sentido ".

Por lo tanto, porque la nueva teoría de Carter-Wills en realidad aborda problemas reales del origen de la vida que están ocultos por la conveniencia de la hipótesis del mundo del ARN, en realidad, es un relato mucho más simple de cómo probablemente sucedieron las cosas justo antes de que la vida en la Tierra surgiera de la sopa primordial.