Tratar de explicar cómo evolucionaron el ADN y el ARN para formar espirales tan ordenadas ha sido un enigma notorio en la ciencia. Pero un nuevo estudio sugiere que la rotación pudo haber ocurrido con facilidad hace miles de millones de años cuando los ancestros químicos del ARN se hilaron casualmente en hebras en espiral.

En el laboratorio, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia se sorprendieron al verlos hacerlo en condiciones que se creían comunes en la Tierra justo antes de que evolucionara la primera vida:en agua pura, sin catalizadores, ya temperatura ambiente.

La ordenada espiral también integró elegantemente otro compuesto que hoy forma la columna vertebral del ARN y el ADN. La estructura resultante tenía características que se parecían mucho al ARN.

Giros fundamentales

El estudio se ha acercado un paso más a responder una pregunta de huevo de gallina sobre el camino evolutivo que condujo al ARN (a partir del cual evolucionó más tarde el ADN):¿La espiral vino primero, ¿Influyó esta estructura en qué componentes moleculares lo convirtieron más tarde en ARN porque encajaban bien en la espiral?

"La espiral podría haber tenido un efecto de refuerzo. Podría haber facilitado que las moléculas que se conectan entre sí que tienen la misma quiralidad (curva) se conecten en una columna vertebral común que sea compatible con el giro helicoidal, "dijo el investigador principal del estudio, Nicholas Hud, profesor de Regents en la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech.

Los investigadores publicaron el nuevo estudio en la revista Angewandte Chemie en diciembre de 2018. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Programa de Astrobiología de la NASA del Centro para la Evolución Química. El centro tiene su sede en Georgia Tech, y Hud es su investigador principal.

Los polímeros resultantes del estudio no eran ARN, pero podrían haber sido un paso intermedio importante en la evolución temprana del ARN. Para bloques de construcción, los investigadores utilizaron moléculas de base denominadas "proto-nucleobases, "muy sospechosos de ser precursores de nucleobases, componentes principales que transportan el código genético en el ARN actual.

Paradoja de nucleobase

El estudio tuvo que trabajar en torno a una paradoja en la evolución química:

Hacer ARN o ADN utilizando sus bases nucleicas reales en el laboratorio sin la ayuda de las enzimas de las células vivas que suelen hacer este trabajo es más que una tarea hercúlea. Por lo tanto, aunque el ARN y el ADN son omnipresentes en la Tierra ahora, su evolución en la Tierra anterior a la vida parecería haber sido una anomalía que requería convergencias erráticas de condiciones extremas.

Por el contrario, El modelo de evolución química de los investigadores de Georgia Tech sostiene que las nucleobases precursoras se autoensamblaron fácilmente en prototipos ancestrales, que eran similares a polímeros y denominados ensamblajes, que luego evolucionaron a ARN.

"Llamaríamos a estas 'proto-nucleobases' o 'nucleobases ancestrales, ", Dijo Hud." Para nuestro modelo general de evolución química, estamos diciendo que estas proto-nucleobases, que se autoensamblan en estos largos hilos, podría haber sido parte de una etapa muy temprana antes de que se incorporaran las bases nucleotídicas modernas ".

Una principal proto-nucleobase sospechosa en este experimento, y en experimentos previos sobre la posible evolución del ARN, fue la triaminopirimidina (TAP). El ácido cianúrico (CA) fue otro. Los investigadores sospechan que TAP y CA eran partes de un proto-ARN.

Los enlaces químicos que mantienen unidos los ensamblajes de las dos proto-nucleobases sospechosas eran sorprendentemente fuertes pero no covalentes. que es similar a conectar dos imanes. En el ARN, los principales enlaces que mantienen unidas las nucleobases modernas son los enlaces covalentes, similar a la soldadura, y las enzimas crean esos enlaces en las células de hoy.

Sesgos helicoidales

Una hélice puede girar en dos direcciones, zurdo o diestro. En Quimica, también se puede entregar una molécula, o quiral, haciendo las formas "L" o "D" de la molécula.

De paso, Los componentes básicos del ARN y el ADN de hoy son todos la forma D, que forman una hélice a la derecha. Por qué evolucionaron así sigue siendo un misterio.

Los lotes de TAP y CA con los que los investigadores comenzaron produjeron cantidades aproximadamente iguales de hélices diestras y zurdas, pero algo se destacó:regiones enteras de un lote estaban sesgadas en una dirección y estaban separadas de otras regiones que giraban en espiral principalmente en la otra dirección.

"La propensión de las moléculas a elegir una dirección helicoidal era tan fuerte que grandes regiones de los lotes estaban formadas predominantemente por conjuntos que estaban torcidos unidireccionalmente, "Dijo Hud.

Esto fue sorprendente porque las moléculas individuales de TAP y CA no tenían quiralidad propia, ni L ni D. Aún así, los giros tenían una dirección preferida.

'récord mundial'

Los investigadores agregaron dos experimentos más para probar qué tan fuertemente sus ensamblajes similares al ARN preferían hacer hélices con una sola mano.

Primero, introdujeron una pizca de compuestos similares a TAP y CA, pero que tenía quiralidad L o D, para empujar la dirección en espiral. Todo el lote se ajustó a la quiralidad del aditivo respectivo, resultando en ensamblajes que se retuercen en una dirección unificada como lo hacen las hélices en el ARN y el ADN hoy en día.

"Fue el nuevo récord mundial para la cantidad más pequeña de un dopante quiral (aditivo) que voltearía una solución completa, "dijo Suneesh Karunakaran, primer autor del estudio e investigador graduado en el laboratorio de Hud. "Esto demostró lo fácil que sería en la naturaleza obtener abundantes cantidades de hélices unificadas".

Segundo, pusieron el compuesto de azúcar ribosa-5-fosfato junto con TAP para emular más de cerca los bloques de construcción actuales del ARN. La ribosa cayó en su lugar, y el ensamblaje resultante giraba en espiral en una dirección dictada por la quiralidad de la ribosa.

"Esta molécula formó fácilmente un ensamblaje similar al ARN que era sorprendentemente estable, a pesar de que las piezas solo se mantuvieron unidas por enlaces no covalentes, "Dijo Karunakaran.

Revolución de la evolución

Los resultados del estudio en condiciones tan simples representan un salto adelante en la evidencia experimental de cómo el giro helicoidal de las biomoléculas podría haber estado ya en su lugar mucho antes de que surgiera la vida.

La investigación también amplía un creciente cuerpo de evidencia que respalda una hipótesis poco convencional del Centro para la Evolución Química, que prescinde de la necesidad de una narrativa de que cataclismos raros e ingredientes improbables eran necesarios para producir los primeros bloques de construcción de la vida.

En lugar de, la mayoría de las biomoléculas probablemente surgieron en varios pasos graduales, en silencio, llanos de tierra barridos por la lluvia o rocas a orillas del lago bañadas por las olas. Las moléculas precursoras con la reactividad adecuada permitieron esos pasos fácilmente y produjeron abundantes materiales para otros pasos evolutivos.

Ingeniero de sótano

En el laboratorio, El autoensamblaje de la hélice fue tan productivo que superó la capacidad de un dispositivo de detección para examinar la salida. Se rellenaron regiones de un milímetro cuadrado o más de tamaño con conjuntos de tipo polímero en espiral unidireccional.

"Para mirarlos tuve que hacer ajustes en el equipo, "Dijo Karunakaran." Hice agujeros en una lámina y la puse frente al haz de nuestro espectropolarímetro ".

Eso funcionó pero necesitaba mejorar, Hud se dirigió al sótano de su casa para construir un escáner automático que pudiera manejar los abundantes resultados del experimento. Revelaba grandes regiones de hélices con la misma mano.