La biología codifica información en ADN y ARN, que son moléculas complejas finamente ajustadas a sus funciones. Pero, ¿son la única forma de almacenar información molecular hereditaria? Algunos científicos creen que la vida tal como la conocemos no podría haber existido antes de que existieran los ácidos nucleicos. Por lo tanto, comprender cómo llegaron a existir en la Tierra primitiva es un objetivo fundamental de la investigación básica.

El papel central de los ácidos nucleicos en el flujo de información biológica también los convierte en objetivos clave para la investigación farmacéutica. y las moléculas sintéticas que imitan los ácidos nucleicos forman la base de muchos tratamientos para enfermedades virales, incluido el VIH. Se conocen otros polímeros de tipo ácido nucleico, sin embargo, aún se desconoce mucho sobre las posibles alternativas para el almacenamiento de información hereditaria. Usando métodos computacionales sofisticados, científicos del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) en el Instituto de Tecnología de Tokio, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad de Emory exploraron la "vecindad química" de los análogos de ácidos nucleicos. Asombrosamente, encontraron más de 1 millón de variantes, sugiriendo un vasto, Universo inexplorado de la química relevante para la farmacología, bioquímica y esfuerzos por comprender los orígenes de la vida. Las moléculas reveladas por este estudio podrían modificarse aún más para producir cientos de millones de posibles pistas de fármacos farmacéuticos.

Los ácidos nucleicos se identificaron por primera vez en el siglo XIX. pero su composición, Los científicos no entendieron el papel y la función biológicos hasta el siglo XX. El descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN por Watson y Crick en 1953 reveló una explicación simple para las funciones biológicas y evolutivas. Todos los seres vivos de la Tierra almacenan información en el ADN, que consta de dos hebras de polímero envueltas entre sí como un caduceo, con cada hebra complementando a la otra. Cuando las hebras se separan, copiar el complemento en cualquiera de las plantillas da como resultado dos copias del original. El polímero de ADN en sí está compuesto por una secuencia de "letras, "las bases adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T), y los organismos vivos han desarrollado formas de asegurarse de que casi siempre se reproduzca la secuencia apropiada de letras durante la copia de ADN. La secuencia de bases es copiada en ARN por proteínas, que luego se lee en una secuencia de proteínas. Las proteínas mismas permiten una multitud de procesos químicos finamente ajustados que hacen posible la vida.

Ocasionalmente ocurren pequeños errores durante la copia de ADN, y otros a veces son introducidos por mutágenos ambientales. Estos pequeños errores son el alimento para la selección natural:algunos de estos errores dan como resultado secuencias que producen organismos más aptos, aunque la mayoría tiene poco efecto; sin embargo, muchos pueden resultar letales. La capacidad de las nuevas secuencias para favorecer la supervivencia del huésped es el "trinquete" que permite que la biología se adapte a los desafíos en constante cambio del medio ambiente. Esta es la razón subyacente del caleidoscopio de formas biológicas en la Tierra, de humildes bacterias a tigres:la información almacenada en los ácidos nucleicos permite la "memoria" en biología. Pero, ¿son el ADN y el ARN la única forma de almacenar esta información? ¿O son quizás la mejor manera? descubierto sólo después de millones de años de retoques evolutivos?

"Hay dos tipos de ácidos nucleicos en biología, y tal vez 20 o 30 análogos de ácido nucleico de unión a ácido nucleico eficaces. Queríamos saber si hay uno más por encontrar o incluso un millón más. La respuesta es, parece haber muchos más de los que se esperaba, "dice el profesor Jim Cleaves de ELSI.

Aunque los biólogos no los consideran organismos, Los virus también utilizan ácidos nucleicos para almacenar su información heredable, aunque algunos virus usan ARN, una ligera variante del ADN, como su sistema de almacenamiento molecular. El ARN se diferencia del ADN por la presencia de una sustitución de un solo átomo, pero en general, El ARN se rige por reglas moleculares muy similares a las del ADN. Lo notable es que estas dos moléculas son esencialmente las únicas que se utilizan entre la increíble variedad de organismos de la Tierra.

Los biólogos y químicos se han preguntado durante mucho tiempo por qué debería ser así. ¿Son estas las únicas moléculas que podrían realizar esta función? Que no, ¿son quizás los mejores? ¿Otras moléculas alguna vez jugaron este papel durante la evolución que posteriormente fueron seleccionadas para la extinción?

La importancia central de los ácidos nucleicos en biología también los ha convertido durante mucho tiempo en objetivos farmacológicos para los químicos. Si un fármaco puede inhibir la capacidad de un organismo o virus de producir una descendencia igualmente infecciosa, efectivamente mata a los organismos o virus. Limpiar la herencia de un organismo o virus es una excelente manera de eliminarlo. Afortunadamente, la maquinaria celular que gestiona la copia de ácido nucleico en cada organismo es ligeramente diferente, y en virus, a menudo muy diferente.

Organismos con genomas grandes, como los humanos, deben tener mucho cuidado al copiar su información hereditaria, y por lo tanto son muy selectivos a la hora de evitar los precursores incorrectos al copiar sus ácidos nucleicos. En cambio, virus que generalmente tienen genomas mucho más pequeños, son mucho más tolerantes al usar moléculas similares pero ligeramente diferentes para copiarse a sí mismos. Esto significa sustancias químicas que son similares a los componentes básicos de los ácidos nucleicos, conocidos como nucleótidos, A veces puede dañar la bioquímica de un organismo más que de otro. La mayoría de los fármacos antivirales importantes que se utilizan en la actualidad son nucleótidos o análogos de nucleósidos, incluidos los que se utilizan para tratar el VIH, herpes y hepatitis viral. Muchos medicamentos importantes contra el cáncer también son nucleótidos o análogos de nucleósidos, ya que las células cancerosas a veces tienen mutaciones que las hacen copiar ácidos nucleicos de formas inusuales.

"Tratando de comprender la naturaleza de la herencia, y de qué otra manera podría encarnarse, es la investigación más básica que se puede hacer, pero también tiene algunas aplicaciones prácticas realmente importantes, "dice el coautor Chris Butch, anteriormente de ELSI y ahora profesor en la Universidad de Nanjing.

Dado que la mayoría de los científicos creen que la base de la biología es la información hereditaria, sin el cual la selección natural sería imposible, Los científicos evolucionistas que estudian los orígenes de la vida también se han centrado en formas de producir ADN o ARN a partir de sustancias químicas simples que podrían haber ocurrido espontáneamente en la Tierra primitiva. La mayoría de los científicos piensan que el ARN evolucionó antes que el ADN por sutiles razones químicas. Por tanto, el ADN es mucho más estable que el ARN, y el ADN se convirtió en el disco duro de la vida. Sin embargo, La investigación en la década de 1960 pronto dividió el campo de los orígenes teóricos en dos:aquellos que vieron el ARN como la simple respuesta de la "navaja de Occam" al problema de los orígenes de la biología y aquellos que vieron las muchas torceduras en la armadura de la síntesis abiológica del ARN. El ARN sigue siendo una molécula complicada, y es posible que moléculas estructuralmente más simples pudieran haber servido en su lugar antes de que surgiera.

Coautor Dr. Jay Goodwin, un químico de la Universidad de Emory dice:"Es realmente emocionante considerar el potencial de sistemas genéticos alternativos basados ​​en estos nucleósidos análogos, que es posible que estos hayan surgido y evolucionado en diferentes entornos, quizás incluso en otros planetas o lunas dentro de nuestro sistema solar. Estos sistemas genéticos alternativos podrían expandir nuestra concepción del 'dogma central' de la biología en nuevas direcciones evolutivas, en respuesta y robusto a entornos cada vez más desafiantes aquí en la Tierra ".

¿Qué molécula vino primero? ¿Qué hace que el ARN y el ADN sean únicos? Es difícil explorar cuestiones tan básicas creando moléculas físicamente en el laboratorio. Por otra parte, computar moléculas antes de fabricarlas podría ahorrarles a los químicos mucho tiempo. "Nos sorprendió el resultado de este cálculo, ", dice el coautor, el Dr. Markus Meringer." Sería muy difícil estimar a priori que hay más de un millón de andamios similares a ácidos nucleicos. Ahora sabemos, y podemos empezar a estudiar la posibilidad de probar algunos de estos en el laboratorio ".

"Es absolutamente fascinante pensar que mediante el uso de técnicas computacionales modernas, podríamos tropezar con nuevos medicamentos cuando buscamos moléculas alternativas al ADN y al ARN que puedan almacenar información hereditaria. Son estudios interdisciplinarios como este los que hacen que la ciencia sea desafiante y divertida, pero impactante. "dice el coautor Dr. Pieter Burger, también de la Universidad de Emory.