¿Comenzó la evolución darwiniana antes de la vida misma?
Cómo se forman las moléculas de cadena larga
Antes de que surgiera la vida en la Tierra, muchos procesos fisicoquímicos de nuestro planeta eran muy caóticos. Una plétora de pequeños compuestos y polímeros de longitudes variables, formados por subunidades (como las bases del ADN y el ARN), estaban presentes en todas las combinaciones imaginables. Antes de que pudieran surgir procesos químicos similares a los de la vida, había que reducir el nivel de caos en estos sistemas. En un nuevo estudio, los físicos de la LMU dirigidos por Dieter Braun demuestran que las características básicas de los polímeros simples, junto con ciertos aspectos del entorno prebiótico, pueden dar lugar a procesos de selección que reducen el desorden.
Cómo se forman las moléculas de cadena larga.
© LMU
En publicaciones anteriores, el grupo de investigación de Braun exploró cómo pudo desarrollarse el orden espacial en cámaras estrechas llenas de agua dentro de rocas volcánicas porosas en el fondo del mar. Estos estudios demostraron que, en presencia de diferencias de temperatura y de un fenómeno convectivo conocido como efecto Soret, las cadenas de ARN podían acumularse localmente en varios órdenes de magnitud de forma dependiente de la longitud. "El problema es que las secuencias de bases de las moléculas más largas que se obtienen son totalmente caóticas", afirma Braun.
Las ribozimas evolucionadas (enzimas basadas en el ARN) tienen una secuencia de bases muy específica que permite a las moléculas plegarse en formas particulares, mientras que la gran mayoría de los oligómeros formados en la Tierra primitiva tenían probablemente secuencias aleatorias. "El número total de posibles secuencias de bases, conocido como "espacio de secuencias", es increíblemente grande", afirma Patrick Kudella, primer autor del nuevo informe. "Esto hace prácticamente imposible ensamblar las complejas estructuras características de las ribozimas funcionales o moléculas comparables mediante un proceso puramente aleatorio". Esto llevó al equipo de la LMU a sospechar que la extensión de las moléculas para formar "oligómeros" más grandes estaba sujeta a algún tipo de mecanismo de preselección.
Sistema modelo para los primeros oligómeros
Dado que en la época del Origen de la Vida sólo existían unos pocos procesos físicos y químicos muy sencillos en comparación con los sofisticados mecanismos de replicación de las células, la selección de las secuencias debía basarse en el entorno y las propiedades de los oligómeros. Aquí es donde entra la investigación del grupo de Braun. Para la función catalizadora y la estabilidad de los oligómeros, es importante que formen cadenas dobles como la conocida estructura helicoidal del ADN. Esta es una propiedad elemental de muchos polímeros y permite crear complejos con partes de doble y simple cadena. Las partes monocatenarias pueden reconstruirse mediante dos procesos. El primero, por la llamada polimerización, en la que las hebras se completan con bases simples para formar hebras dobles completas. El otro es por lo que se conoce como ligadura. En este proceso, se unen oligómeros más largos. En este caso, se forman tanto partes de doble cadena como de cadena simple, que permiten un mayor crecimiento del oligómero.
"Nuestro experimento comienza con un gran número de hebras cortas de ADN, y en nuestro sistema modelo para los primeros oligómeros utilizamos sólo dos bases complementarias, adenina y timina", dice Braun. "Suponemos que la ligadura de hebras con secuencias aleatorias conduce a la formación de hebras más largas, cuyas secuencias de bases son menos caóticas". A continuación, el grupo de Braun analizó las mezclas de secuencias producidas en estos experimentos mediante un método que también se utiliza para analizar el genoma humano. La prueba confirmó que la entropía de la secuencia, es decir, el grado de desorden o aleatoriedad dentro de las secuencias recuperadas, se redujo de hecho en estos experimentos.
Surgimiento de la vida a partir del caos
Los investigadores también pudieron identificar las causas de este orden "autogenerado". Descubrieron que la mayoría de las secuencias obtenidas se dividían en dos clases, con una composición de bases del 70% de adenina y el 30% de timina, o viceversa. "Con una proporción significativamente mayor de una de las dos bases, la hebra no puede plegarse sobre sí misma y permanece como compañera de reacción para la ligadura", explica Braun. Así, en la reacción apenas se forman hebras con la mitad de cada una de las dos bases. "También vemos cómo pequeñas distorsiones en la composición del conjunto de ADN corto dejan patrones de motivos distintos dependientes de la posición, especialmente en las hebras largas del producto", dice Braun. El resultado sorprendió a los investigadores, porque una hebra de sólo dos bases diferentes con una proporción de bases específica tiene formas limitadas de diferenciarse entre sí. "Sólo unos algoritmos especiales pueden detectar detalles tan sorprendentes", afirma Annalena Salditt, coautora del estudio.
Los experimentos demuestran que las características más simples y fundamentales de los oligómeros y su entorno pueden ser la base de los procesos selectivos. Incluso en un sistema modelo simplificado, pueden entrar en juego varios mecanismos de selección que influyen en el crecimiento de las hebras a diferentes escalas de longitud y que son el resultado de diferentes combinaciones de factores. Según Braun, estos mecanismos de selección eran un requisito previo para la formación de complejos catalíticamente activos, como las ribozimas, y por tanto desempeñaron un papel importante en la aparición de la vida a partir del caos.
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