Primera replicación no enzimática de ARN

ARN (una sola hebra)
ARN (una sola hebra)

La capacidad que tiene el ARN para autorreplicarse, por poder actuar también como enzima (catalizador), hace que pueda ser considerado como un posible eje alrededor del que construir una teoría plausible para el origen de la vida: es lo que se llama la hipótesis del mundo de ARN. Para que estas reacciones catalíticas tuviesen lugar cabe pensar que ocurrieron en algún tipo de estructura cerrada al entorno, posiblemente una vesícula de ácidos grasos, lo que se llama una protocélula.

Sin embargo, hay algo que no termina de cuadrar en esta hipótesis, y es que la catálisis por parte del ARN necesita la presencia de cantidades considerables de ion magnesio, y estas concentraciones de magnesio son incompatibles con la integridad de la vesícula de ácidos grasos, la rompe. Para salvar este problema podría pensarse que en el medio existiese alguna molécula que, permitiendo la acción del magnesio en la catálisis, impidiese el efecto destructivo de las membranas de la protocélula. Este tipo de moléculas se llaman agentes quelantes, y la combinación con el ion metálico (en este caso magnesio) quelatos.

Ahora Katarzyna Adamala y Jack Szostak, trabajando en el Massachusetts General Hospital / Universidad de Harvard, publican en Science que han probado distintos quelatos de magnesio (citrato, isocitrato y oxalato) que han sido capaces de mantener la integridad de las vesículas de ácidos grasos en presencia de altas concentraciones de magnesio. Además, el quelato de citrato permitió que el magnesio efectuase su función en la síntesis de ARN dentro de las protocélulas, con el añadido de proteger al ARN de la degradación catalítica que puede provocar el magnesio. Estamos pues ante la primera replicación (contemporánea) de ARN no enzimática dentro de una vesícula de ácidos grasos. Un paso más para comprender el origen de la vida…y de la vida sintética.

Citrato
Citrato

Jack Szostak y su equipo son viejos conocidos de Experientia docet, aparte de por haber ganado el Nobel en 2009 (véase, por ejemplo, 2008 y 2010). Trabajan desde hace más de una década en comprender cómo las primeras células se desarrollaron a partir de la “sopa primordial” para llegar a ser organismos vivos capaces de copiar su código genético y reproducirse. La aproximación al problema de Szostak y colaboradores ha sido desarrollar una protocélula modelo (de ahí el título del artículo técnico) a partir de los componentes que estuvieron presentes probablemente en el ambiente de la Tierra primitiva.

Su trabajo en esta línea de trabajo saltó a los medios cuando consiguieron desarrollar protomembranas compuestas del tipo de ácidos grasos que podrían haber sido abundantes en la Tierra primitiva, que forman vesículas cuando están en cantidad suficiente en un entorno acuoso. Pero, decían los críticos, de qué me sirve la carrocería del coche si no tengo motor, esto es, de qué me sirve una vesícula si no existe una molécula, ARN ó ADN, capaz de autorreplicación.

Como en el ambiente primitivo en el que se habrían desarrollado esas protocélulas no habría habido las enzimas que usan las células hoy día para catalizar la replicación de los ácidos nucleicos, el equipo de Szostak comenzó a estudiar posibles procesos químicos simples que podrían llevar a la replicación no enzimática el ARN. El estudio del que nos ocupamos hoy es un hito significativo en esta búsqueda.

El ensayo para comprobar la acción de los agentes quelantes consistió, de forma muy simplificada, en colocar hebras simples de ARN ancladas a moléculas de ARN “completas” (doble hebra) más largas dentro de vesículas de ácidos grasos. La parte de ARN de una sola hebra consistía en una secuencia de nucleótidos de citosina. En presencia del ion magnesio y cada uno de los agentes quelantes probados se añadía guanina activada, el nucleótido que se empareja con la citosina para formar la doble hebra de los ácidos nucleicos.

La reacción deseada, la difusión de los nucleótidos de guanina a través de la membrana de la vesícula para formar un ARN de doble hebra uniéndose a la hebra de citosina, tuvo lugar más rápido en presencia del citrato. Los otros agentes quelantes impidieron la formación de la doble hebra.

Todo lo anterior es espectacular (más, si acaso, si recordamos que el equipo de Craig Venter ya probó que pueden sintetizar ácidos nucleicos a partir de productos químicos muy básicos) pero, ¿había citrato en la Tierra primitiva? Lo más seguro es que no, o no en cantidades suficientes. Por tanto, hay que buscar moléculas que pudiesen actuar como agentes quelantes con la misma eficacia que el citrato en la Tierra primitiva. Los autores aventuran que algunos péptidos sencillos podrían haber realizado esa función. Seguiremos pendientes.

Referencia:

Adamala K. & Szostak J.W. (2013). Nonenzymatic Template-Directed RNA Synthesis Inside Model Protocells, Science, 342 (6162) 1098-1100. DOI:

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXIX Edición del Carnaval de Química que acoge Más ciencia, por favor.


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