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Se cree que la evolución de las células y los organismos estuvo precedida por una fase en la que las moléculas informativas como el ADN podrían replicarse de forma selectiva. Un nuevo trabajo muestra que las estructuras en horquilla son replicadores de ADN particularmente efectivos.
En el metabolismo de todos los organismos vivos existe una clara división del trabajo:los ácidos nucleicos (ADN y ARN) transportan la información para la síntesis de proteínas, y las proteínas proporcionan las funciones estructurales y ejecutivas requeridas por las células, como la catálisis controlada y específica de reacciones químicas por enzimas. Sin embargo, en décadas recientes, ha quedado claro que esta distinción no es absoluta en absoluto. En particular, el ARN es capaz de ignorar el límite descrito anteriormente y se sabe que juega un papel catalítico en muchos procesos importantes. Por ejemplo, ciertas moléculas de ARN pueden catalizar la replicación de otros ácidos nucleicos, y esta versatilidad podría ayudar a explicar cómo se originó la vida en la Tierra.
Las moléculas de ácido nucleico están formadas por subunidades llamadas nucleótidos, que difieren en sus denominadas bases. Las bases que se encuentran en el ARN se denominan A, C, G y U (el ADN usa T en lugar de U). Estas bases se dividen en dos pares complementarios, cuyos miembros interactúan específicamente, A con T (o U) y G con C. Esta complementariedad es lo que explica la estabilidad de la doble hélice del ADN, y permite que las hebras simples de ARN se plieguen en formas complejas.
Se cree que la vida surgió de un proceso de evolución química en el que las secuencias de ácidos nucleicos podrían replicarse selectivamente. Por lo tanto, en los sistemas prebióticos, ciertas "especies" moleculares que transportaban información se reproducían a expensas de otras. En sistemas biológicos, dicha selectividad normalmente está mediada por los denominados cebadores, es decir, hebras de ácido nucleico que se emparejan (como se describió anteriormente) con parte de la molécula que se va a replicar, para formar una doble hélice corta. El cebador proporciona un punto de partida para la extensión de la región de doble hebra para formar una nueva hebra hija. Es más, este proceso se puede reconstruir en la probeta.
Los pros y los contras de los replicadores de horquilla
Georg Urtel y Thomas Rind, que son miembros del grupo de investigación dirigido por Dieter Braun (Profesor de Biofísica de Sistemas en LMU), han utilizado dicho sistema para identificar propiedades que podrían favorecer la replicación selectiva de moléculas de ADN. Por sus experimentos, eligieron una secuencia de ADN monocatenario que adopta la denominada estructura de horquilla. En estas moléculas, las secuencias de bases en cada extremo son complementarias entre sí, al igual que los tramos cortos de secuencia dentro del resto de la molécula. Esta distribución de secuencias complementarias hace que dicha hebra se pliegue en una conformación en forma de horquilla.
Gracias a las reglas de emparejamiento descritas anteriormente, la replicación de una sola hebra de ADN produce una segunda hebra cuya secuencia difiere de la primera. Por lo tanto, cada hebra de una estructura sin horquilla necesita su propio cebador para la replicación. Pero con horquillas un cebador es suficiente para cebar la síntesis tanto de la hebra original como de la complementaria. "Esto significa que las horquillas son replicadores relativamente simples, ", Señala Georg Urtel. La desventaja es que la estructura de horquilla dificulta la unión de la imprimación, y esto a su vez limita su tasa de replicación. Las especies moleculares que carecen de estructuras en horquilla no tienen este problema.
La cooperación supera a la competencia
En experimentos posteriores, los investigadores descubrieron que dos especies de horquillas simples podrían cooperar para dar lugar a un replicador mucho más eficiente. que requiere dos cebadores para su amplificación. Las dos especies de horquillas seleccionadas requerían cada una una imprimación diferente, pero sus secuencias eran en parte idénticas. El cambio a la replicación cooperativa ocurre cuando la replicación de una de las horquillas se detiene. "Como una regla, los procesos de replicación en la naturaleza nunca son perfectos, ", dice Dieter Braun." Una parada tan prematura no es algo que uno necesite diseñar en el sistema. Sucede estocásticamente y lo utilizamos en nuestros experimentos ". La horquilla parcialmente replicada puede, sin embargo, unirse a una molécula de la segunda especie, y sirve como imprimación que se puede alargar más. Es más, el producto resultante ya no forma una horquilla. En otras palabras, representa una nueva especie molecular.
Salvado de la extinción
Estos llamados 'cruces' necesitan dos cebadores para su replicación, pero, sin embargo, se puede replicar significativamente más rápido que cualquiera de sus progenitores en horquilla. Para experimentos posteriores demostraron que, tras la dilución en serie de la población, los ADN de horquilla pronto se extinguen. Sin embargo, la información de secuencia que contenían sobrevive en los cruces y se puede replicar más.
El experimento inverso confirmó que la información se conserva de hecho:si los cruces se suministran con un solo cebador, la correspondiente especie de horquilla progenitora todavía puede replicarse mediante el tipo de proceso de cambio mencionado anteriormente. Pero, en ausencia del segundo cebador, el mestizaje se extingue. "Por lo tanto, El proceso de cruzamiento no solo proporciona la transición de replicadores 'simples y lentos' a replicadores más rápidos, también permite que el sistema se adapte a las condiciones imperantes, "Urtel explica." También sugiere cómo los primeros replicadores podrían haber cooperado entre sí en condiciones prebióticas antes del origen de los sistemas vivos ".