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El mundo ARN: un poco más cerca de entender el origen de la vida

Estamos en un momento apasionante para el conocimiento de este ‘mundo’, escribe el astrobiólogo César Menor-Salván.

Julio, 2022

Un trabajo recién publicado sobre la hipótesis del ‘mundo ARN’ no cambia un paradigma, sino que aclara un malentendido sobre esta molécula y su origen. De esto nos habla César Menor-Salván, astrobiólogo y profesor de bioquímica en la Universidad de Alcalá. Más adelante, nos habla también de un reciente hallazgo: se han identificado las bases del ADN y el ARN —las moléculas de la vida— en meteoritos carbonáceos. ¿Vino la vida del espacio? ¿Sus componentes llegaron en meteoritos o se formaron en la Tierra? Algo es seguro, escribe aquí Menor-Salván: estamos en un momento apasionante para el conocimiento del origen de la vida en nuestro planeta.

I. Nuevas evidencias sobre el mundo ARN: aclarando un malentendido

César Menor-Salván


La hipótesis del “mundo ARN” es uno de los pilares de la investigación sobre el origen de la vida. Según ella, antes de la vida tal como la conocemos, debieron formarse moléculas de ARN que asumieron, además de sus funciones actuales, las del ADN y las enzimas. Un interesante estudio reciente, publicado en la revista Nature, va un paso más allá.

El artículo muestra que un ARN sencillo puede generar péptidos en las condiciones del “mundo ARN”. Así, actuaría como un antecesor muy simple de la función que lleva a cabo el ribosoma. La química demuestra que la formación abiótica de un híbrido ARN-péptido es posible.

El interés de este trabajo radica en su coherencia con un modelo global. Para los que hemos trabajado en los pasos anteriores en el proceso del origen de la vida, es consistente con el papel de la urea como compuesto clave en el origen de la vida. El trabajo añade otro más a los múltiples roles de esta molécula en el mundo prebiótico: la urea como conector en una síntesis de péptidos primordial.

También es coherente con lo que conocemos sobre biología molecular. Así, este trabajo no es un cambio de paradigma, sino que aclara un malentendido histórico respecto al significado del concepto “mundo ARN”.

Nucleótidos canónicos, no canónicos y paradojas del ARN

Las bases del ADN son adenina, guanina, citosina y timina. Las bases del ARN son adenina, guanina, citosina y uracilo. Las llamamos “bases canónicas”. Son mayoritarias en la estructura de los ácidos nucleicos y responsables del lenguaje del código genético.

Es tentador centrarse en las bases canónicas (y sus correspondientes nucleótidos) a la hora de pensar en el origen de la vida.

Comparación de las estructuras del ADN y el ARN. El ADN se considera un producto tardío de la evolución biológica. El ARN es posiblemente más antiguo, forma muchos tipos de estructuras y necesita nucleótidos no canónicos (en naranja) para ejercer su función. En el ejemplo, el ARN se une con aminoácidos para generar péptidos. //Imagen: C. Menor-Salván/Biorender.com

El ARN es una molécula versátil, que puede actuar como transmisor de la información genética, como catalizador de reacciones químicas (ribozimas), incluyendo su propia síntesis. El lector pensará que, quizá, la vida vino precedida de la formación de moléculas de ARN capaces de generar copias de sí mismas e iniciar la vida (vía 1 en el esquema). Parece lógico que estas moléculas abrieran el camino hacia el origen de las proteínas y el metabolismo. Así, muchos científicos se lanzaron a la tarea de encontrar formas por las que el ARN pudo generarse antes de la vida, a partir de sus componentes canónicos.

Sin embargo, el ARN es paradójico.

Por un lado, pensamos que es tan antiguo que hubo un “mundo ARN” antes de la vida celular.

Por otro lado, es muy difícil que se pueda formar una molécula de ARN en el mundo prebiótico.

Una propiedad de las bases canónicas es que se resisten a la hora de formar nucleótidos y conectarlos, formando ARN. A pesar de los avances recientes, no podemos dar una respuesta clara a este problema y quizá la vía 1 del esquema no es el camino adecuado. De hecho, se han encontrado las bases canónicas en muestras de meteoritos. Pero no hay en ellos ninguna pista que apunte hacia el ARN; la paradoja del ARN hace improbable que la vida viniera del espacio.

Además de dichas dificultades para generar ARN en el mundo prebiótico, hay un problema de selección: ¿por qué el ADN y ARN tienen esta composición? ¿Cómo fueron escogidas las bases canónicas?

Hasta ahora, no estamos seguros.

En el mundo prebiótico las bases canónicas debieron surgir junto con otras moléculas que pueden ejercer la misma función, incluso más fácilmente: son las bases y nucleótidos no canónicos. En un problema denominado la paradoja del apareamiento de bases vemos que, precisamente, lo difícil es seleccionar las bases canónicas de entre todas las demás.

¿Qué pistas nos da la propia vida?

Una es que el ARN requiere de la presencia de nucleótidos no canónicos para su funcionamiento. La composición del ARN es mucho más compleja e incluye decenas de bases exóticas. Los nucleótidos no canónicos siguen siendo esenciales en la vida actual y son claves en la evolución. Quizás, en el origen de la vida, hubo una molécula similar, previa al ARN actual, en la que los componentes exóticos tuvieron aún más importancia y que evolucionó, manteniendo sólo los componentes no canónicos necesarios (vía 2: el preARN).

Mapa del ‘mundo ARN’ (muy simplificado. Esto da idea de la dificultad del problema). A partir de precursores químicos universales, podemos tener varias vías de evolución química: la via 1 es la generación y ensamblaje de los componentes canónicos para producir un ARN capaz de replicarse y preparar el origen de las proteínas y el metabolismo. La via 2 ataca el problema de la selección: los componentes no canónicos juegan un papel en la evolución previa al ARN y en el origen de la síntesis de péptidos. Las vias 3 y 4 invierten la idea: a partir de péptidos prebióticos, usados como armazón, evolucionan las primeras estructuras de ARN. En todo caso, un híbrido de ARN y péptidos, como el propuesta por el grupo de Carell, ocupa un lugar central en el mapa.// Imagen: Cesar Menor Salván / www.Biorender.com

El ARN actual sería un producto biológico, no prebiótico, resultado de la evolución del código genético, manteniéndose los componentes no canónicos en forma de modificaciones de bases.

La biología nos enseña también que el ARN y las proteínas siempre van juntos. Ambas interaccionan, se complementan y se necesitan mutuamente. Sabemos que la función del ARN como generador de las proteínas es muy antigua, quizá anterior a la propia vida. Es razonable pensar que ambos tipos de moléculas coexistieran (vías 3 y 4).

Este último estudio muestra que, químicamente, es posible esta vía de coevolución de un modo que conserva la lógica de la vida tal como la conocemos: nucleótidos no canónicos esenciales para la función del ARN y su acción en la síntesis de péptidos como una función primordial, pavimentando el camino hacia la estructura común más antigua y mejor preservada de la vida terrestre: el ribosoma.

El concepto del “mundo ARN” ha sido malentendido en ocasiones. Tal como nos enseñan tanto la química como el ARN de la vida actual, es el conjunto de componentes canónicos, no canónicos y peptídicos lo que hizo posible un camino de evolución química previo a la evolución biológica. El “mundo ARN” es un mundo preARN-péptido.

Afortunadamente, todo esto sigue siendo una cuestión pendiente; aún nos queda mucho por aprender, en un momento apasionante para el conocimiento del origen de la vida en nuestro planeta.

II. ¿Llegó la vida a la Tierra desde el espacio? Posiblemente no, y es una buena noticia

Por otra parte, demos un giro y hablemos del reciente hallazgo de las bases del ADN y ARN, moléculas básicas de la vida, en meteoritos carbonáceos evoca grandes preguntas: ¿llegó la vida a la Tierra en meteoritos? ¿Fue necesario el aporte de estos componentes extraterrestres para que se originara la vida en la Tierra?

Estas preguntas representan dos enfoques de la hipótesis de la panspermia: quizá, la vida, directamente o por medio de sus componentes esenciales, fue sembrada en nuestro planeta durante el bombardeo de meteoritos y cometas, hace algo más de 4.200 millones de años.

La hipótesis alternativa es que la vida nos es propia, que emergió en nuestro planeta Tierra gracias a la química de la atmósfera, la geoquímica, el ambiente y las fuentes de energía disponibles.

Ambas hipótesis no son mutuamente excluyentes: podría haber ocurrido que los componentes del espacio exterior se sumaran a los procesos internos.

El descubrimiento de bases de los ácidos nucleicos (y otros componentes) en meteoritos o asteroides, ¿refuerza entonces la hipótesis de la panspermia? ¿Sugiere que la vida pudo venir desde el espacio? La respuesta a día de hoy es que posiblemente no, aunque esto es una buena noticia.

Componentes del ADN en meteoritos: cómo interpretarlos

La búsqueda de bases del ARN y ADN y otros componentes simples de la vida, como aminoácidos, en meteoritos que han impactado en la Tierra es un tema de investigación que no ha estado exento de polémicas. La primera cuestión que se plantean los científicos es si esos componentes son originales o resultado de contaminación en la Tierra.

En este sentido, el hallazgo de timina en meteoritos, considerada hasta ahora un producto biológico, es muy espinoso. Por ello es fundamental replicar y confirmar estos hallazgos. Una posibilidad es compararlos con muestras de asteroides, es decir, muestras de cuerpos rocosos que orbitan en el espacio, que no han atravesado la atmósfera y no han podido contaminarse tras su impacto contra la Tierra.

Dejando aparte el problema de la timina, ¿qué significa que haya bases del ARN en un meteorito?

El estudio de los compuestos identificados y sus características lo primero que nos dice es que no hay vida (tal como la conocemos) en el análisis de los meteoritos carbonáceos. Es decir, no transportaban ningún organismo cuando impactaron en la Tierra. Los componentes observados sugieren, además, que en el objeto que dio origen a estos meteoritos tampoco se estaba produciendo la evolución química previa a la vida. Este proceso es complejo e implica una serie de reacciones e interacciones moleculares de las que no hay, hasta ahora, ninguna evidencia fuera del laboratorio.

En nuestro Sistema Solar, aparte de en la Tierra, hasta ahora no se han encontrado evidencias firmes de los procesos moleculares que pudieran conducir a la vida, más allá del primer paso: la formación de los componentes básicos.

La vida terrestre es también un proceso geoquímico, y el estudio de su evolución nos ayuda a entender su propio origen. Ocultas en el motor molecular de todas las células se encuentran evidencias de cómo se formaron. Algunos hallazgos llamativos, como supuestos fósiles en meteoritos de Marte, actualmente se consideran de origen mineral.

No hemos encontrado indicios de vida más allá de la Tierra

En realidad, es una buena noticia. Hay una extraordinaria coincidencia entre los compuestos químicos observados en meteoritos carbonáceos y los producidos en los laboratorios de química prebiótica, desde el experimento pionero de Miller-Urey en 1953, hasta los experimentos más modernos sobre el origen de las bases del ARN.

Esta coincidencia sugiere que los procesos de formación de componentes simples de la vida, como aminoácidos y las bases del ARN, son comunes y robustos. Probablemente, han ocurrido y ocurren en muchos lugares del Sistema Solar y del universo. Incluyendo la Tierra primitiva. Además, podemos predecirlos e interpretarlos cuando los encontramos. Los componentes hallados en meteoritos confirman que el trabajo de laboratorio para responder a la pregunta sobre cómo se forman los componentes químicos más simples de la vida han ido por el buen camino. Sin embargo, sobre cómo se ensamblan y evolucionan estos componentes, de momento, los meteoritos no nos dan pistas.

Por supuesto, la ausencia de evidencia no es evidencia de la ausencia: el hecho de que no hayamos encontrado ninguna evidencia ni de vida, ni de evolución química, no significa que no pudiera haberla. Quizá no hemos dado con las muestras adecuadas. ¿La vida pudo originarse en Marte y llegar a la Tierra a bordo de fragmentos desprendidos del planeta por impactos? No tenemos ninguna evidencia de ello. Más aún, la composición de todos los meteoritos analizados y su coincidencia con la química prebiótica fundamental apoya la hipótesis contraria: que la vida no llegó a la Tierra desde el espacio.

Vamos con la siguiente pregunta: ¿necesitábamos que las bases del ARN vinieran en meteoritos o cometas, o pudieron formarse en la Tierra?

Fragmento de un meteorito tipo condrita carbonácea en el que se encuentran compuestos orgánicos. ¿Fue necesaria la contribución de esos compuestos para el origen de la vida, o simplemente confirman que el origen químico de la vida, tal como lo investigamos en el laboratorio, es posible? C. Menor-Salván

Posiblemente, los componentes de la vida se generaron (también) en la Tierra

Es un error pensar que, porque haya componentes del ADN y ARN en meteoritos, haya sido necesario para la vida que estos componentes hayan viajado con ellos. Esto es una falacia lógica. Igual que es un error pensar que, por el hecho de que se bajen personas de un avión, todas las personas que viven en la ciudad han llegado en avión. O que los aviones son necesarios para crear ciudades. Por supuesto, podría haber un lugar en el que todas las personas hayan llegado en avión. Pero necesitamos más evidencias para afirmarlo, y de momento todas las evidencias, incluyendo la composición de los meteoritos, apuntan justo en la dirección contraria: que la vida y sus componentes se generaron en la propia Tierra. Dada la robustez de la formación de los componentes básicos de la vida, es probable que el planeta tuviera capacidad de sobra para generarlos.

En la Tierra primitiva se dieron procesos atmosféricos y geológicos que nos sugieren que se formaron enormes cantidades de materiales orgánicos precursores de la vida. Es posible también que fuera relevante la combinación de ambos: impactos meteoríticos más generación en el planeta. Un impacto meteorítico, aparte de su composición, aporta una enorme energía y condiciones locales que pudieron ser favorables para el origen de la vida.

Debemos explorar más. Tal vez lugares como Marte o los mundos ricos en agua líquida, como Europa o Encelado, sean la clave. Por el momento no hay evidencias de vida actual o pasada en esos lugares. Sería una buena noticia que, al final, no hubiera vida en ellos: paradójicamente, un sistema solar estéril quizá nos ayude a entender cómo se originó la vida en nuestro planeta.

[César Menor-Salván: profesor ayudante doctor. Bioquímica y Astrobiología. Departamento de Biología de Sistemas, Universidad de Alcalá. // Fuente: The Conversation; texto reproducido bajo la licencia Creative Commons.]

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