Hallazgo: ¿Hubo selección darwiniana previa a la vida misma?

Rasgos básicos de los polímeros simples y ciertos aspectos del entorno prebiótico pudieron dar lugar a procesos de selección darwinianos de entre el caos previo a la vida en la Tierra

En sus inicios, muchos procesos fisicoquímicos en nuestro planeta eran muy caóticos. Una plétora de pequeños compuestos y polímeros de diferentes longitudes, formados por subunidades (como las bases que se encuentran en el ADN y el ARN), estaban presentes en todas las combinaciones imaginables. Antes de que pudieran surgir procesos químicos similares a la vida, era necesario reducir el nivel de caos en estos sistemas.

En estudios previos a este hallazgo, el grupo de investigación de Dieter Braun, de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) en Munich, exploró cómo el orden espacial podría haberse desarrollado en cámaras estrechas llenas de agua dentro de rocas volcánicas porosas en el fondo del mar. Estos estudios mostraron que, en presencia de diferencias de temperatura y un fenómeno convectivo conocido como efecto Soret, las cadenas de ARN podrían acumularse localmente en varios órdenes de magnitud de una manera dependiente de la longitud. “El problema es que las secuencias de bases de las moléculas más largas que se obtienen son totalmente caóticas”, comentó Braun.

Las ribozimas evolucionadas (enzimas basadas en ARN) tienen una secuencia de bases muy específica que permite que las moléculas se plieguen en formas particulares, mientras que la gran mayoría de los oligómeros formados en la Tierra Primitiva probablemente tenían secuencias aleatorias.

“El número total de posibles secuencias de bases, conocido como el ‘espacio de secuencia,” es increíblemente grande“, dijo en un comunicado Patrick Kudella, primer autor del nuevo estudio de la LMU. ”Esto hace que sea prácticamente imposible ensamblar las estructuras complejas características de las ribozimas funcionales o comparables moléculas mediante un proceso puramente aleatorio”, agregó. Esto llevó al equipo a sospechar que la extensión de moléculas para formar “oligómeros” más grandes estaba sujeta a algún tipo de mecanismo de preselección.

En el momento del origen de la vida, solo existían unos pocos procesos físicos y químicos muy simples en comparación con los sofisticados mecanismos de replicación de las células, por lo que la selección de secuencias debe basarse en el entorno y las propiedades de los oligómeros. Aquí es donde entra la investigación del grupo de Braun. Para la función catalítica 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 complejos con partes de cadena doble y simple. Las partes monocatenarias se pueden reconstruir mediante dos procesos. Primero, mediante la denominada polimerización, en la que las hebras se completan con bases simples para formar hebras dobles completas. El otro es mediante lo que se conoce como ligadura. En este proceso, se unen oligómeros más largos. Aquí, se forman partes de cadena doble y monocatenaria, lo que permite un mayor crecimiento del oligómero.

“Nuestro experimento comienza con una gran cantidad de cadenas cortas de ADN, y en nuestro sistema modelo para oligómeros tempranos usamos sólo dos bases complementarias, adenina y timina”, aseguró Braun y continuó: “Suponemos que la ligadura de cadenas con secuencias aleatorias conduce a la formación de cadenas más largas, cuyas secuencias de bases son menos caóticas”. Luego, el grupo de Braun analizó las mezclas de secuencias producidas en estos experimentos utilizando un método que también se usa 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, de hecho se redujo en estos experimentos.

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 composiciones de base de 70% de adenina y 30% de timina, o viceversa. “Con una proporción significativamente mayor de una de las dos bases, la hebra no se puede plegar sobre sí misma y permanece como un socio de reacción para la ligadura”, explicó Braun. Por tanto, apenas se forman hebras con la mitad de cada una de las dos bases en la reacción.

“También vemos cómo pequeñas distorsiones en la composición de la reserva de ADN corto dejan patrones de motivos distintos que dependen de la posición, especialmente en cadenas de productos largas”, aclaró Braun. El resultado sorprendió a los investigadores, porque una hebra de solo dos bases diferentes con una proporción de bases específica tiene formas limitadas de diferenciarse entre sí. “Solo los algoritmos especiales pueden detectar detalles tan sorprendentes”, asumió Annalena Salditt, coautora del estudio.

Los experimentos muestran que las características más simples y fundamentales de los oligómeros y su entorno pueden proporcionar la base para procesos selectivos. Incluso en un sistema de modelo simplificado, pueden entrar en juego varios mecanismos de selección, que tienen un impacto en el crecimiento de la hebra a diferentes escalas de longitud y 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 lo tanto, desempeñaron un papel importante en el surgimiento de la vida de entre el caos.