Mundo de ARN

Comparación del ARN (izquierdaCon ADNderecho), mostrando los cálices y nucleobases cada uno emplea

El mundo del ARN es una etapa hipotética en la historia evolutiva de la vida en la Tierra, en la que las moléculas de ARN autorreplicantes proliferaron antes de la evolución del ADN y las proteínas. El término también se refiere a la hipótesis que postula la existencia de esta etapa.

Alexander Rich propuso por primera vez el concepto del mundo del ARN en 1962, y Walter Gilbert acuñó el término en 1986. Se han propuesto caminos químicos alternativos hacia la vida, y es posible que la vida basada en el ARN no haya sido la primera vida que existió. Aun así, la evidencia de un mundo de ARN es lo suficientemente fuerte como para que la hipótesis haya ganado una amplia aceptación. La formación simultánea de los cuatro bloques de construcción de ARN fortaleció aún más la hipótesis. Independientemente de su plausibilidad en un escenario prebiótico, el mundo del ARN puede servir como sistema modelo para estudiar el origen de la vida.

Al igual que el ADN, el ARN puede almacenar y replicar información genética; Al igual que las enzimas proteicas, las enzimas de ARN (ribozimas) pueden catalizar (iniciar o acelerar) reacciones químicas que son críticas para la vida. Uno de los componentes más críticos de las células, el ribosoma, se compone principalmente de ARN. Los restos de ribonucleótidos en muchas coenzimas, como acetil-CoA, NADH, FADH y F420, pueden ser restos sobrevivientes de coenzimas unidas covalentemente en un mundo de ARN.

Aunque el ARN es frágil, algunos ARN antiguos pueden haber desarrollado la capacidad de metilar otros ARN para protegerlos.

Si existió el mundo del ARN, probablemente fue seguido por una era caracterizada por la evolución de las ribonucleoproteínas (mundo RNP), que a su vez marcó el comienzo de la era del ADN y las proteínas más largas. El ADN tiene mayor estabilidad y durabilidad que el ARN; esto puede explicar por qué se convirtió en la molécula de almacenamiento de información predominante. Las enzimas proteicas pueden haber llegado a reemplazar a las ribozimas basadas en ARN como biocatalizadores porque su mayor abundancia y diversidad de monómeros las hace más versátiles. Como algunos cofactores contienen características tanto de nucleótidos como de aminoácidos, puede ser que los aminoácidos, los péptidos y finalmente las proteínas fueran inicialmente cofactores para las ribozimas.

Historia

Uno de los desafíos en el estudio de la abiogénesis es que el sistema de reproducción y metabolismo utilizado por toda la vida existente involucra tres tipos distintos de macromoléculas interdependientes (ADN, ARN y proteína). Esto sugiere que la vida no podría haber surgido en su forma actual, lo que ha llevado a los investigadores a formular hipótesis sobre mecanismos por los que el sistema actual podría haber surgido de un sistema precursor más simple. El biólogo molecular estadounidense Alexander Rich fue el primero en plantear una hipótesis coherente sobre el origen de los nucleótidos como precursores de la vida. En un artículo que contribuyó a un volumen publicado en honor al fisiólogo premio Nobel Albert Szent-Györgyi, explicó que el entorno de la Tierra primitiva podría haber producido moléculas de ARN (monómeros de polinucleótidos) que finalmente adquirieron funciones enzimáticas y autorreplicantes..

En los artículos de Francis Crick y Leslie Orgel, así como en el libro The Genetic Code de Carl Woese de 1967, se puede encontrar un concepto más amplio del ARN como molécula primordial. Hans Kuhn en 1972 expuso un posible proceso por el cual el sistema genético moderno podría haber surgido de un precursor basado en nucleótidos, y esto llevó a Harold White en 1976 a observar que muchos de los cofactores esenciales para la función enzimática son nucleótidos o podrían haber sido derivados de nucleótidos. Propuso un escenario en el que la electroquímica crítica de las reacciones enzimáticas habría necesitado la retención de los restos de nucleótidos específicos de las enzimas originales basadas en ARN que realizaban las reacciones, mientras que los elementos estructurales restantes de las enzimas se reemplazaban gradualmente por proteínas, hasta que todo lo que quedaba. de los ARN originales eran estos cofactores de nucleótidos, "fósiles de enzimas de ácido nucleico". La frase "RNA World" fue utilizado por primera vez por el premio Nobel Walter Gilbert en 1986, en un comentario sobre cómo las observaciones recientes de las propiedades catalíticas de varias formas de ARN encajan con esta hipótesis.

Propiedades del ARN

Las propiedades del ARN hacen que la idea de la hipótesis del mundo del ARN sea conceptualmente plausible, aunque su aceptación general como explicación del origen de la vida requiere más pruebas. Se sabe que el ARN forma catalizadores eficientes y su similitud con el ADN deja en claro su capacidad para almacenar información. Sin embargo, las opiniones difieren en cuanto a si el ARN constituyó el primer sistema autorreplicante autónomo o si fue un derivado de un sistema aún anterior. Una versión de la hipótesis es que un tipo diferente de ácido nucleico, denominado pre-ARN, fue el primero en emerger como una molécula autorreproductora, para ser reemplazada por ARN solo más tarde. Por otro lado, el descubrimiento en 2009 de que los ribonucleótidos de pirimidina activados se pueden sintetizar en condiciones prebióticas plausibles sugiere que es prematuro descartar los escenarios de ARN primero. Sugerencias para 'simple' Los ácidos nucleicos de pre-ARN han incluido ácido nucleico peptídico (PNA), ácido nucleico de treosa (TNA) o ácido nucleico de glicol (GNA). A pesar de su simplicidad estructural y la posesión de propiedades comparables con el ARN, la generación químicamente plausible de "más simple" ácidos nucleicos en condiciones prebióticas aún no se ha demostrado.

ARN como enzima

Las enzimas de ARN, o ribozimas, se encuentran en la vida actual basada en el ADN y podrían ser ejemplos de fósiles vivientes. Las ribozimas desempeñan funciones vitales, como la del ribosoma. La subunidad grande del ribosoma incluye un ARNr responsable de la actividad de peptidil transferasa que forma enlaces peptídicos de la síntesis de proteínas. Existen muchas otras actividades de ribozima; por ejemplo, la ribozima de cabeza de martillo realiza la autoescisión y una ribozima de ARN polimerasa puede sintetizar una cadena corta de ARN a partir de una plantilla de ARN cebada.

Entre las propiedades enzimáticas importantes para el comienzo de la vida se encuentran:

Auto-replicación

La capacidad de auto-replicar o sintetizar otras moléculas de ARN; moléculas de ARN relativamente cortas que pueden sintetizar a otros se han producido artificialmente en el laboratorio. El más corto fue de 165 bases de largo, aunque se ha estimado que sólo parte de la molécula era crucial para esta función. Una versión, 189 bases largas, tenía una tasa de error de sólo 1,1% por nucleótido al sintetizar una cadena RNA de 11 nucleótidos largos de los ejes de plantillas primos. Esta ribozima de par base 189 podría polimerizar una plantilla de la mayoría de 14 nucleótidos de longitud, que es demasiado corto para la auto replicación, pero es una posible ventaja para la investigación posterior. La extensión más larga realizada por una polimerasa ribozyme fue de 20 bases. En 2016, los investigadores reportaron el uso de la evolución in vitro para mejorar dramáticamente la actividad y generalidad de una costilla de polimerasa RNA seleccionando variantes que pueden sintetizar moléculas funcionales de ARN de una plantilla de ARN. Cada ribozyme polimerasa RNA fue diseñado para permanecer vinculado a su nueva cadena RNA sintetizada; esto permitió al equipo aislar las polimeras exitosas. Las polímeras aisladas del ARN se utilizaron de nuevo para otra ronda de evolución. Después de varias rondas de evolución, obtuvieron una costilla de polimerasa RNA llamada 24-3 que pudo copiar casi cualquier otro ARN, de pequeños catalizadores a enzimas largas basadas en ARN. Los ARN particulares fueron amplificados hasta 10.000 veces, una primera versión del ARN de la reacción de cadena de polimerasa (PCR).

Catalisis

La capacidad de catalizar reacciones químicas simples, lo que mejoraría la creación de moléculas que están construyendo bloques de moléculas de ARN (es decir, un hilo de ARN que haría más fácil crear más hilos de ARN). Las moléculas de ARN relativamente cortas con tales habilidades se han formado artificialmente en el laboratorio. Un estudio reciente mostró que casi cualquier ácido nucleico puede evolucionar en una secuencia catalítica bajo la selección apropiada. Por ejemplo, una codificación arbitrariamente escogida de fragmento de ADN de 50 núcleos para el Bos taurus (cattle) albumin mRNA fue sometido a la evolución de test-tube para derivar un ADN catalítico (Deoxyribozyme, también llamado DNAzyme) con actividad de limpieza RNA. Después de sólo unas pocas semanas, había evolucionado una enzima de ADN con actividad catalítica significativa. En general, el ADN es mucho más químicamente inerte que el ARN y por lo tanto mucho más resistente a la obtención de propiedades catalíticas. Si la evolución in vitro funciona para el ADN ocurrirá mucho más fácilmente con ARN.

ligadura Aminoácido-RNA

La capacidad de conjugar un aminoácido al 3'-fin de un ARN con el fin de utilizar sus grupos químicos o proporcionar una cadena lateral alifática de marca larga.

Formación de lazos péptidos

La capacidad de catalizar la formación de enlaces de péptidos entre aminoácidos para producir péptidos cortos o proteínas más largas. Esto se hace en las células modernas por ribosomas, un complejo de varias moléculas de ARN conocidas como rRNA junto con muchas proteínas. Las moléculas rRNA se consideran responsables de su actividad enzimática, ya que no hay residuos de aminoácidos en el interior de 18Å del sitio activo de la enzima, y, cuando la mayoría de los residuos de aminoácidos en el ribosoma fueron removidos rigurosamente, el ribosoma resultante retuvo su actividad completa de transferencia de peptidilo, totalmente capaz de catalizar la formación de enlaces de peptidos entre aminoácidos. Una simetría pseudo 2 pliegues de la región que rodea el centro de transferencia de peptidilo llevó a la hipótesis del Proto-Ribosome, que un vestigio de una antigua molécula dimerica del mundo del ARN funciona dentro del ribosoma. Una molécula de ARN con la secuencia de ARN ribosomal ha sido sintetizada en el laboratorio para probar la hipótesis Proto-ribosome y fue capaz de diezmar y formar enlaces de péptidos. Una molécula de ARN mucho más corta ha sido sintetizada en el laboratorio con la capacidad de formar bonos de péptidos, y se ha sugerido que el ARN ha evolucionado de una molécula similar. También se ha sugerido que los aminoácidos podrían haber participado inicialmente con moléculas de ARN como cofactores que aumentan o diversifican sus capacidades enzimáticas, antes de evolucionar en péptidos más complejos. Del mismo modo, se sugiere que el TRNA ha evolucionado de moléculas del ARN que comenzaron a catalizar la transferencia de aminoácidos.

ARN en almacenamiento de información

El ARN es una molécula muy similar al ADN, con solo dos diferencias químicas importantes (la columna vertebral del ARN usa ribosa en lugar de desoxirribosa y sus nucleobases incluyen uracilo en lugar de timina). La estructura general del ARN y el ADN es inmensamente similar: una hebra de ADN y otra de ARN pueden unirse para formar una estructura de doble hélice. Esto hace posible el almacenamiento de información en el ARN de una manera muy similar al almacenamiento de información en el ADN. Sin embargo, el ARN es menos estable y es más propenso a la hidrólisis debido a la presencia de un grupo hidroxilo en la ribosa 2' posición.

La principal diferencia entre el ARN y el ADN es la presencia de un grupo hidroxil en la posición 2.

Comparación de estructura de ADN y ARN

La principal diferencia entre el ARN y el ADN es la presencia de un grupo hidroxilo en la posición 2' del azúcar ribosa en el ARN (ilustración a la derecha). Este grupo hace que la molécula sea menos estable porque, cuando no está restringida en una doble hélice, el 2' el hidroxilo puede atacar químicamente el enlace fosfodiéster adyacente para escindir el esqueleto fosfodiéster. El grupo hidroxilo también obliga a la ribosa a adoptar la conformación de azúcar C3'-endo a diferencia de la conformación C2'-endo del azúcar desoxirribosa en el ADN. Esto obliga a una doble hélice de ARN a cambiar de una estructura de ADN-B a una más parecida a ADN-A.

El ARN también usa un conjunto diferente de bases que el ADN: adenina, guanina, citosina y uracilo, en lugar de adenina, guanina, citosina y timina. Químicamente, el uracilo es similar a la timina, se diferencia solo por un grupo metilo y su producción requiere menos energía. En términos de emparejamiento de bases, esto no tiene ningún efecto. La adenina se une fácilmente al uracilo o la timina. Sin embargo, el uracilo es un producto del daño a la citosina que hace que el ARN sea particularmente susceptible a mutaciones que pueden reemplazar un par de bases GC con un GU (bamboleo) o AU par de bases.

Se cree que el ARN precedió al ADN debido a su ordenación en las vías biosintéticas. Los desoxirribonucleótidos que se utilizan para producir ADN están hechos de ribonucleótidos, los componentes básicos del ARN, mediante la eliminación del grupo 2'-hidroxilo. Como consecuencia, una célula debe tener la capacidad de producir ARN antes de poder producir ADN.

Limitaciones del almacenamiento de información en el ARN

Las propiedades químicas del ARN hacen que las moléculas grandes de ARN sean intrínsecamente frágiles y pueden descomponerse fácilmente en sus nucleótidos constituyentes mediante hidrólisis. Estas limitaciones no hacen imposible el uso del ARN como un sistema de almacenamiento de información, sino simplemente un uso intensivo de energía (para reparar o reemplazar moléculas de ARN dañadas) y propenso a la mutación. Si bien esto hace que no sea adecuado para el actual 'ADN optimizado' vida, puede haber sido aceptable para una vida más primitiva.

ARN como regulador

Se ha descubierto que los ribointerruptores actúan como reguladores de la expresión génica, particularmente en bacterias, pero también en plantas y arqueas. Los ribointerruptores alteran su estructura secundaria en respuesta a la unión de un metabolito. Este cambio en la estructura puede resultar en la formación o interrupción de un terminador, truncando o permitiendo la transcripción respectivamente. Alternativamente, los ribointerruptores pueden unirse u ocluir la secuencia de Shine-Dalgarno, afectando la traducción. Se ha sugerido que estos se originaron en un mundo basado en ARN. Además, los termómetros de ARN regulan la expresión génica en respuesta a los cambios de temperatura.

Apoyo y dificultades

La hipótesis del mundo del ARN está respaldada por la capacidad del ARN para almacenar, transmitir y duplicar información genética, como lo hace el ADN, y para realizar reacciones enzimáticas, como las enzimas basadas en proteínas. Debido a que puede llevar a cabo los tipos de tareas que ahora realizan las proteínas y el ADN, se cree que el ARN alguna vez fue capaz de sustentar una vida independiente por sí mismo. Algunos virus usan ARN como material genético, en lugar de ADN. Además, aunque no se encontraron nucleótidos en experimentos basados en el experimento de Miller-Urey, en 2009 se informó de su formación en condiciones plausibles desde el punto de vista prebiótico; una base de purina, la adenina, es simplemente un pentámero de cianuro de hidrógeno, y sucede que esta base particular se usa como vehículo de energía omnipresente en la célula: el trifosfato de adenosina se usa en todas partes con preferencia al trifosfato de guanosina, trifosfato de citidina, trifosfato de uridina o incluso desoxitimidina trifosfato, que podría servir igual de bien, pero prácticamente nunca se usa, excepto como bloques de construcción para las cadenas de ácido nucleico. Los experimentos con ribozimas básicas, como el ARN del bacteriófago Qβ, han demostrado que las estructuras de ARN autorreplicantes simples pueden resistir incluso fuertes presiones selectivas (p. ej., terminadores de cadena de quiralidad opuesta).

Dado que no había vías químicas conocidas para la síntesis abiogénica de nucleótidos a partir de nucleobases de pirimidina, citosina y uracilo en condiciones prebióticas, algunos piensan que los ácidos nucleicos no contenían estas nucleobases que se ven en los ácidos nucleicos de la vida. El nucleósido citosina tiene una vida media aislada de 19 días a 100 °C (212 °F) y 17 000 años en agua congelada, lo que, según algunos, es demasiado corto en la escala de tiempo geológico para la acumulación. Otros han cuestionado si la ribosa y otros azúcares de la columna vertebral podrían ser lo suficientemente estables como para encontrarse en el material genético original, y han planteado la cuestión de que todas las moléculas de ribosa tendrían que ser del mismo enantiómero, ya que cualquier nucleótido de quiralidad incorrecta actúa como un terminador de cadena.

Los ribonucleósidos de pirimidina y sus respectivos nucleótidos han sido sintetizados prebióticamente mediante una secuencia de reacciones que pasan por alto los azúcares libres y se ensamblan paso a paso al incluir químicas nitrogenadas y oxigenadas. En una serie de publicaciones, John Sutherland y su equipo de la Facultad de Química de la Universidad de Manchester han demostrado rutas de alto rendimiento para los ribonucleótidos de citidina y uridina construidos a partir de pequeños fragmentos de 2 y 3 carbonos como el glicolaldehído, el gliceraldehído o el gliceraldehído-3. -fosfato, cianamida y cianoacetileno. Uno de los pasos en esta secuencia permite el aislamiento de ribosa aminooxazolina enantiopura si el exceso enantiomérico de gliceraldehído es del 60% o más, de posible interés hacia la homoquiralidad biológica. Esto puede verse como un paso de purificación prebiótica, donde dicho compuesto cristalizó espontáneamente a partir de una mezcla de las otras pentosas aminooxazolinas. Las aminooxazolinas pueden reaccionar con cianoacetileno de una manera suave y altamente eficiente, controlada por fosfato inorgánico, para dar ribonucleótidos de citidina. La fotoanomerización con luz ultravioleta permite la inversión sobre el 1' centro anomérico para dar la estereoquímica beta correcta; un problema con esta química es la fosforilación selectiva de alfa-citidina en el 2' posición. Sin embargo, en 2009, demostraron que los mismos bloques de construcción simples permiten el acceso, a través de la elaboración de nucleobases controladas por fosfato, directamente a los nucleótidos de pirimidina cíclica 2',3', que se sabe que pueden polimerizarse en ARN. La química orgánica Donna Blackmond describió este hallazgo como "evidencia sólida" a favor del mundo del ARN. Sin embargo, John Sutherland dijo que si bien el trabajo de su equipo sugiere que los ácidos nucleicos jugaron un papel temprano y central en el origen de la vida, no necesariamente respalda la hipótesis del mundo del ARN en sentido estricto, que describió como un & #34;acuerdo restrictivo e hipotético".

El artículo de 2009 del grupo de Sutherland también destacó la posibilidad de la fotodesinfección de los fosfatos cíclicos de pirimidina-2',3'. Una debilidad potencial de estas rutas es la generación de gliceraldehído enantioenriquecido, o su derivado 3-fosfato (el gliceraldehído prefiere existir como su cetotautómero dihidroxiacetona).

El 8 de agosto de 2011, se publicó un informe, basado en estudios de la NASA con meteoritos encontrados en la Tierra, que sugiere que los componentes básicos del ARN (adenina, guanina y moléculas orgánicas relacionadas) pueden haberse formado en el espacio exterior. En 2017, la investigación que utilizó un modelo numérico sugirió que un mundo de ARN pudo haber surgido en estanques cálidos en la Tierra primitiva, y que los meteoritos eran una fuente plausible y probable de los componentes básicos del ARN (ribosa y ácidos nucleicos) para estos entornos. El 29 de agosto de 2012, los astrónomos de la Universidad de Copenhague informaron sobre la detección de una molécula de azúcar específica, el glicolaldehído, en un sistema estelar distante. La molécula se encontró alrededor del binario protoestelar IRAS 16293-2422, que se encuentra a 400 años luz de la Tierra. Debido a que se necesita glicolaldehído para formar el ARN, este hallazgo sugiere que pueden formarse moléculas orgánicas complejas en los sistemas estelares antes de la formación de los planetas, llegando finalmente a los planetas jóvenes al principio de su formación. Los nitrilos, precursores moleculares clave del escenario RNA World, se encuentran entre las familias químicas más abundantes del universo y se han encontrado en nubes moleculares en el centro de la Vía Láctea, protoestrellas de diferentes masas, meteoritos y cometas, y también en la atmósfera. de Titán, la luna más grande de Saturno.

Síntesis de ARN prebiótico

La hipótesis del mundo del ARN propone que la polimerización espontánea de ribonucleótidos condujo a la aparición de ribozimas, e incluyendo una réplica del ARN.

Los nucleótidos son las moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN. Consisten en una base nitrogenada unida a un esqueleto de azúcar-fosfato. El ARN está formado por largos tramos de nucleótidos específicos dispuestos de modo que su secuencia de bases lleve información. La hipótesis del mundo del ARN sostiene que en la sopa (o sándwich) primordial existían nucleótidos que flotaban libremente. Estos nucleótidos formaban regularmente enlaces entre sí, que a menudo se rompían porque el cambio de energía era muy bajo. Sin embargo, ciertas secuencias de pares de bases tienen propiedades catalíticas que reducen la energía de la cadena que se está creando, lo que les permite permanecer juntas durante períodos de tiempo más prolongados. A medida que cada cadena se hacía más larga, atraía más nucleótidos coincidentes con mayor rapidez, lo que provocaba que las cadenas se formaran ahora más rápido de lo que se descomponían.

Estas cadenas han sido propuestas por algunos como las primeras formas primitivas de vida. En un mundo de ARN, diferentes conjuntos de cadenas de ARN habrían tenido diferentes resultados de replicación, lo que habría aumentado o disminuido su frecuencia en la población, es decir, la selección natural. A medida que los conjuntos más aptos de moléculas de ARN aumentaron su número, nuevas propiedades catalíticas agregadas por mutación, que beneficiaron su persistencia y expansión, podrían acumularse en la población. Se ha identificado tal conjunto autocatalítico de ribozimas, capaz de autorreplicarse en aproximadamente una hora. Fue producido por competencia molecular (evolución in vitro) de mezclas de enzimas candidatas.

La competencia entre ARN puede haber favorecido la aparición de cooperación entre diferentes cadenas de ARN, abriendo el camino para la formación de la primera protocélula. Eventualmente, las cadenas de ARN se desarrollaron con propiedades catalíticas que ayudan a que los aminoácidos se unan (un proceso llamado enlace peptídico). Estos aminoácidos podrían ayudar con la síntesis de ARN, dando a las cadenas de ARN que podrían servir como ribozimas la ventaja selectiva. La capacidad de catalizar un paso en la síntesis de proteínas, la aminoacilación del ARN, se ha demostrado en un segmento corto (cinco nucleótidos) de ARN.

En marzo de 2015, los científicos de la NASA informaron que, por primera vez, se formaron en el laboratorio compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida, incluidos uracilo, citosina y timina, en condiciones que solo se encuentran en el espacio exterior, utilizando sustancias químicas, como la pirimidina, que se encuentran en los meteoritos. La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), puede haberse formado en estrellas gigantes rojas o en nubes de gas y polvo interestelar, según los científicos.

En 2018, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia identificaron tres candidatos moleculares para las bases que podrían haber formado una versión más antigua de proto-ARN: ácido barbitúrico, melamina y 2,4,6-triaminopirimidina (TAP). Estas tres moléculas son versiones más simples de las cuatro bases en el ARN actual, que podrían haber estado presentes en cantidades mayores y aún podrían ser compatibles con ellas, pero pueden haber sido descartadas por la evolución a cambio de pares de bases más óptimos. Específicamente, TAP puede formar nucleótidos con una amplia gama de azúcares. Tanto TAP como la base de melamina se combinan con ácido barbitúrico. Los tres forman espontáneamente nucleótidos con ribosa.

Evolución del ADN

Uno de los desafíos planteados por la hipótesis del mundo del ARN es descubrir la vía por la cual un sistema basado en ARN hizo la transición a uno basado en ADN. Geoffrey Diemer y Ken Stedman, de la Universidad Estatal de Portland en Oregón, pueden haber encontrado una solución. Mientras realizaban una encuesta de virus en un lago ácido caliente en el Parque Nacional Volcánico Lassen, California, descubrieron evidencia de que un virus de ADN simple había adquirido un gen de un virus basado en ARN completamente diferente. El virólogo Luis Villareal de la Universidad de California Irvine también sugiere que los virus capaces de convertir un gen basado en ARN en ADN y luego incorporarlo a un genoma más complejo basado en ADN podrían haber sido comunes en el mundo de los virus durante la transición de ARN a ADN hace algunos años. Hace 4 mil millones de años. Este hallazgo refuerza el argumento a favor de la transferencia de información del mundo del ARN al mundo emergente del ADN antes de la aparición del último ancestro común universal. De la investigación, la diversidad de este mundo de virus todavía está con nosotros.

Viroides

Evidencia adicional que respalda el concepto de un mundo de ARN ha resultado de la investigación sobre viroides, los primeros representantes de un nuevo dominio de 'patógenos subvirales'. Los viroides infectan plantas, donde la mayoría son patógenos, y consisten en tramos cortos de ARN altamente complementarios, circulares, monocatenarios y no codificantes sin una cubierta proteica. Son extremadamente pequeños, con entre 246 y 467 nucleobases, en comparación con los virus más pequeños conocidos capaces de causar una infección, con genomas de unas 2000 nucleobases de longitud.

Basándose en sus propiedades características, en 1989 el biólogo de plantas Theodor Diener argumentó que los viroides son reliquias vivas más plausibles del mundo del ARN que los intrones y otros ARN considerados candidatos en ese momento. La hipótesis de Diener sería ampliada por el grupo de investigación de Ricardo Flores y ganó una audiencia más amplia cuando en 2014, un escritor científico del New York Times publicó una versión popularizada de la propuesta.

Las características de los viroides destacadas como consistentes con un mundo de ARN fueron su pequeño tamaño, alto contenido de guanina y citosina, estructura circular, periodicidad estructural, falta de capacidad de codificación de proteínas y, en algunos casos, replicación mediada por ribozimas. Un aspecto en el que se han centrado los críticos de la hipótesis es que los anfitriones exclusivos de todos los viroides conocidos, las angiospermas, no evolucionaron hasta miles de millones de años después de que el mundo del ARN fuera reemplazado, lo que hace más probable que los viroides hayan surgido a través de mecanismos evolutivos posteriores no relacionados con el ARN. mundo que haber sobrevivido a través de un anfitrión críptico durante ese período prolongado. Ya sean reliquias de ese mundo o de un origen más reciente, su función como ARN desnudo autónomo se considera análoga a la prevista para un mundo de ARN.

Origen de la reproducción sexual

Eigen et al. y Woese propusieron que los genomas de las primeras protocélulas estaban compuestos de ARN monocatenario y que los genes individuales correspondían a segmentos de ARN separados, en lugar de estar unidos de extremo a extremo como en los genomas de ADN actuales. Una protocélula que fuera haploide (una copia de cada gen de ARN) sería vulnerable al daño, ya que una sola lesión en cualquier segmento de ARN sería potencialmente letal para la protocélula (por ejemplo, bloqueando la replicación o inhibiendo la función de un gen esencial).

La vulnerabilidad al daño podría reducirse manteniendo dos o más copias de cada segmento de ARN en cada protocélula, es decir, manteniendo la diploidía o la poliploidía. La redundancia del genoma permitiría reemplazar un segmento de ARN dañado por una replicación adicional de su homólogo. Sin embargo, para un organismo tan simple, la proporción de recursos disponibles inmovilizados en el material genético sería una gran fracción del presupuesto total de recursos. En condiciones de recursos limitados, la tasa de reproducción de protocélulas probablemente estaría inversamente relacionada con el número de ploidía. La aptitud de la protocelda se vería reducida por los costos de redundancia. En consecuencia, hacer frente a los genes de ARN dañados y al mismo tiempo minimizar los costos de la redundancia probablemente habría sido un problema fundamental para las primeras protocélulas.

Se llevó a cabo un análisis de costo-beneficio en el que los costos de mantener la redundancia se equilibraron con los costos del daño del genoma. Este análisis llevó a la conclusión de que, bajo una amplia gama de circunstancias, la estrategia seleccionada sería que cada protocélula fuera haploide, pero que se fusionara periódicamente con otra protocélula haploide para formar un diploide transitorio. La retención del estado haploide maximiza la tasa de crecimiento. Las fusiones periódicas permiten la reactivación mutua de protocélulas letalmente dañadas. Si al menos una copia libre de daños de cada gen de ARN está presente en el diploide transitorio, se puede formar una progenie viable. Para que se produzcan dos, en lugar de una, células hijas viables, se requeriría una replicación adicional del gen de ARN intacto homólogo a cualquier gen de ARN que hubiera sido dañado antes de la división de la protocélula fusionada. El ciclo de reproducción haploide, con fusión ocasional a un estado diploide transitorio, seguido de división al estado haploide, puede considerarse como el ciclo sexual en su forma más primitiva. En ausencia de este ciclo sexual, las protocélulas haploides con daño en un gen de ARN esencial simplemente morirían.

Este modelo para el ciclo sexual temprano es hipotético, pero es muy similar al comportamiento sexual conocido de los virus de ARN segmentados, que se encuentran entre los organismos más simples que se conocen. El virus de la gripe, cuyo genoma consta de 8 segmentos de ARN monocatenario separados físicamente, es un ejemplo de este tipo de virus. En los virus de ARN segmentados, el "apareamiento" puede ocurrir cuando una célula huésped está infectada por al menos dos partículas de virus. Si cada uno de estos virus contiene un segmento de ARN con un daño letal, la infección múltiple puede conducir a la reactivación siempre que al menos una copia intacta de cada gen del virus esté presente en la célula infectada. Este fenómeno se conoce como "reactivación de multiplicidad". Se ha informado que la reactivación de la multiplicidad ocurre en las infecciones por el virus de la influenza después de la inducción del daño del ARN por la radiación UV y la radiación ionizante.

Otros desarrollos

Patrick Forterre ha estado trabajando en una hipótesis novedosa, llamada "tres virus, tres dominios": que los virus fueron fundamentales en la transición del ARN al ADN y en la evolución de bacterias, arqueas y eucariotas. Él cree que el último ancestro común universal fueron los virus de ARN evolucionados y basados en ARN. Algunos de los virus se convirtieron en virus de ADN para proteger sus genes de los ataques. A través del proceso de infección viral en los huéspedes evolucionaron los tres dominios de la vida.

Otra propuesta interesante es la idea de que la síntesis de ARN podría haber sido impulsada por gradientes de temperatura, en el proceso de termosíntesis. Se ha demostrado que los nucleótidos individuales catalizan reacciones orgánicas.

Steven Benner ha argumentado que las condiciones químicas en el planeta Marte, como la presencia de boro, molibdeno y oxígeno, pueden haber sido mejores para producir inicialmente moléculas de ARN que las de la Tierra. Si es así, las moléculas aptas para la vida, que se originaron en Marte, pueden haber migrado más tarde a la Tierra a través de mecanismos de panspermia o un proceso similar.

Hipótesis alternativas

La existencia hipotética de un mundo de ARN no excluye un 'mundo anterior al ARN', en el que se propone un sistema metabólico basado en un ácido nucleico diferente para ser anterior al ARN. Un ácido nucleico candidato es el ácido nucleico peptídico (PNA), que utiliza enlaces peptídicos simples para unir bases nitrogenadas. El PNA es más estable que el ARN, pero aún no se ha demostrado experimentalmente su capacidad para generarse en condiciones prebiológicas.

También se ha propuesto el ácido nucleico de tres (TNA) como punto de partida, al igual que el ácido nucleico de glicol (GNA) y, al igual que el PNA, también carecen de pruebas experimentales de su respectiva abiogénesis.

Se propone una teoría alternativa, o complementaria, del origen del ARN en la hipótesis del mundo PAH, según la cual los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) median en la síntesis de moléculas de ARN. Los PAH son las moléculas poliatómicas conocidas más comunes y abundantes en el Universo visible, y es probable que constituyan el mar primordial. Se han detectado PAH y fullerenos (también implicados en el origen de la vida) en nebulosas.

La teoría del mundo del hierro y el azufre propone que procesos metabólicos simples se desarrollaron antes que los materiales genéticos, y estos ciclos de producción de energía catalizaron la producción de genes.

Algunas de las dificultades de producir los precursores en la tierra son superadas por otra teoría alternativa o complementaria de su origen, la panspermia. Discute la posibilidad de que la vida más temprana en este planeta haya sido transportada aquí desde algún otro lugar de la galaxia, posiblemente en meteoritos similares al meteorito Murchison. Se han encontrado moléculas de azúcar, incluida la ribosa, en meteoritos. Panspermia no invalida el concepto de un mundo de ARN, pero postula que este mundo o sus precursores no se originaron en la Tierra sino en otro planeta, probablemente más antiguo.

La relativa complejidad química del nucleótido y la improbabilidad de que surja espontáneamente, junto con el número limitado de combinaciones posibles entre las cuatro formas básicas, así como la necesidad de polímeros de ARN de cierta longitud antes de ver la actividad enzimática, han llevado a algunos rechazar la hipótesis del mundo del ARN a favor de una hipótesis del metabolismo primero, donde la química subyacente a la función celular surgió primero, junto con la capacidad de replicar y facilitar este metabolismo.

Coevolución ARN-péptido

Otra propuesta es que el sistema de doble molécula que vemos hoy en día, donde se necesita una molécula basada en nucleótidos para sintetizar proteínas y una molécula basada en péptidos (proteínas) para producir polímeros de ácido nucleico, representa la forma original de la vida. Esta teoría se denomina coevolución ARN-péptido, o el mundo Péptido-ARN, y ofrece una posible explicación para la rápida evolución de la replicación de alta calidad en el ARN (ya que las proteínas son catalizadores), con la desventaja de tener que postular la formación coincidente de dos moléculas complejas, una enzima (de péptidos) y un ARN (de nucleótidos). En este escenario de Peptide-RNA World, el ARN habría contenido las instrucciones para la vida, mientras que los péptidos (enzimas de proteínas simples) habrían acelerado reacciones químicas clave para llevar a cabo esas instrucciones. El estudio deja abierta la pregunta de cómo esos sistemas primitivos lograron replicarse a sí mismos, algo que ni la hipótesis del mundo del ARN ni la teoría del mundo del ARN del péptido aún pueden explicar, a menos que las polimerasas (enzimas que ensamblan rápidamente la molécula de ARN) jugaron un papel.

Un proyecto de investigación completado en marzo de 2015 por el grupo de Sutherland descubrió que una red de reacciones que comienza con cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno, en corrientes de agua irradiadas con luz ultravioleta, podría producir los componentes químicos de proteínas y lípidos, junto con los de ARN. Los investigadores utilizaron el término "cianosulfídico" para describir esta red de reacciones. En noviembre de 2017, un equipo del Instituto de Investigación Scripps identificó reacciones que involucraban el compuesto diamidofosfato que podría haber unido los componentes químicos en cadenas cortas de péptidos y lípidos, así como cadenas cortas de nucleótidos similares al ARN.

Implicaciones

La hipótesis del mundo del ARN, si es cierta, tiene implicaciones importantes para la definición de la vida. Durante la mayor parte del tiempo que siguió a la elucidación de la estructura del ADN de Franklin, Watson y Crick en 1953, la vida se definió en gran medida en términos de ADN y proteínas: el ADN y las proteínas parecían las macromoléculas dominantes en la célula viva, y el ARN solo ayudaba. en la creación de proteínas a partir del modelo de ADN.

La hipótesis del mundo del ARN coloca al ARN en el centro del escenario cuando se originó la vida. La hipótesis del mundo del ARN está respaldada por las observaciones de que los ribosomas son ribozimas: el sitio catalítico está compuesto de ARN y las proteínas no tienen un papel estructural importante y tienen una importancia funcional periférica. Esto se confirmó con el desciframiento de la estructura tridimensional del ribosoma en 2001. Ahora se sabe que la formación de enlaces peptídicos, la reacción que une los aminoácidos en proteínas, es catalizada por un residuo de adenina en el ARNr.

Se sabe que los ARN desempeñan funciones en otros procesos catalíticos celulares, específicamente en la dirección de enzimas a secuencias específicas de ARN. En eucariotas, el procesamiento del pre-ARNm y la edición del ARN tienen lugar en sitios determinados por el apareamiento de bases entre el ARN diana y los constituyentes del ARN de las ribonucleoproteínas nucleares pequeñas (snRNP). Dicha orientación enzimática también es responsable de la regulación negativa de genes a través de la interferencia de ARN (ARNi), donde un ARN guía asociado a una enzima se dirige a un ARNm específico para la destrucción selectiva. Asimismo, en eucariotas el mantenimiento de los telómeros implica la copia de un molde de ARN que es parte constituyente de la enzima ribonucleoproteína telomerasa. Otro orgánulo celular, la bóveda, incluye un componente de ribonucleoproteína, aunque queda por dilucidar la función de este orgánulo.