Según la hipótesis del mundo del ARN, había una molécula de ARN que podía auto-replicarse. ¿Cómo funciona?

El ARN se replica aproximadamente de la misma manera que el ADN: al hacer que una cadena sirva como plantilla para el ensamblaje de otra cadena para polimerizar a partir de precursores, de modo que se conserva la información de la secuencia.

La polimerización de las moléculas precursoras requiere catalizadores, y en el mundo moderno esos catalizadores son proteínas.

Las enzimas proteicas son buenos catalizadores porque las proteínas pueden asumir muchas formas diferentes, en función de su secuencia de aminoácidos. Es la forma de la proteína la principal responsable de sus propiedades catalíticas. Dado que las diferentes secuencias de aminoácidos pueden producir diferentes formas, teóricamente son posibles muchos catalizadores de proteínas diferentes, y se demuestra que existen.

El ARN, como las proteínas, también puede asumir muchas formas tridimensionales diferentes, en función de su secuencia de nucleótidos. Debido a esta capacidad de formar muchas formas, el ARN también puede actuar como un catalizador. En el mundo moderno, el ARN todavía actúa como catalizador en algunos procesos biológicos. Es, por ejemplo, la porción de ARN de los ribosomas, no la porción de proteína, la responsable de la catálisis de la traducción, en la que las proteínas se ensamblan en base a una plantilla de ARN.

La hipótesis del mundo del ARN, por lo tanto, propone que hubo un período en la Tierra primitiva en el que el ARN sirvió como catalizador biológico primario, en lugar de proteínas, así como el sitio de almacenamiento primario de información genética, en lugar de ADN.

Por lo tanto, una molécula de ARN tridimensional completamente plegada podría servir como catalizador activo para la replicación de ARN a partir de una plantilla de ARN desplegada, excepto que la plantilla desplegada y el catalizador plegado tienen la misma secuencia de bases, es decir, son copias una de la otra.

Con el tiempo, los genes de ARN podrían haber evolucionado para producir enzimas de ARN que catalizaron la creación de ADN a partir de una plantilla de ARN (tales enzimas todavía existen en los virus modernos, y se denominan transcriptasas inversas). El ADN es superior al ARN como contenedor de información genética porque es más estable y su naturaleza bicatenaria permite una mejor corrección de errores. Por lo tanto, la selección natural favorecería el reemplazo eventual de organismos que todavía usan ARN como su almacenamiento genético primario con organismos que usan ADN como su almacenamiento genético primario. Sin embargo, el ADN no puede formar moléculas de diferentes formas basadas en diferentes secuencias y, por lo tanto, es casi inútil como catalizador. Así obtenemos un escenario de organismos con genes de ADN que producen enzimas de ARN.

Sin embargo, con el tiempo, las enzimas de ARN podrían evolucionar y producir proteínas a partir de plantillas de ARN (que las enzimas de ARN, o ribozimas, que se encuentran en los ribosomas todavía lo hacen en la actualidad). Las proteínas son mejores que el ARN como catalizadores, porque pueden formar una gama más amplia de formas que el ARN, pero no pueden convertirse en una plantilla para copiarse, por lo que son completamente inútiles para la autorreplicación. Como las proteínas pueden producir mejores catalizadores que el ARN, un organismo que desarrolló una enzima proteica para realizar el trabajo realizado previamente por una ribozima de ARN a menudo tendrá una ventaja y, con el tiempo, una a una, la mayoría de las funciones catalíticas principales que El ARN una vez realizado fue tomado por las proteínas.

La secuencia inversa también es posible, es decir, la conversión a enzimas proteicas podría haber ocurrido antes del advenimiento del ADN. Los dos procesos pueden incluso haber sucedido en paralelo entre sí, sucediendo gradualmente simultáneamente.

Y así terminamos con un mundo en el que los genes de ADN se usan para crear plantillas de ARN que se usan para producir enzimas proteicas, con solo un pequeño puñado de funciones catalíticas que el ARN aún realiza, y un pequeño puñado de entidades (virus de ARN) utilizando ARN como su material genético primario.

El Jack of Two Trades (RNA) está reemplazado por dos Masters of One (ADN y proteínas).

Tenga en cuenta que la hipótesis del mundo del ARN no requiere (aunque permite) que el primer autorreplicador sea ​​ARN. Un sistema de autorreplicación / catalizador incluso anterior puede haber precedido al ARN, que evolucionó para producir ARN, que luego asumió las funciones tanto del material genético como del catalizador primario, suplantando las moléculas anteriores tal como fue suplantado posteriormente por el ADN y proteína.

El ADN puede replicarse en algunas condiciones, pero no puede actuar como una enzima. El ADN requiere otra molécula para actuar como una enzima. La estructura de doble cadena del ADN limita la forma que puede tomar la molécula, por lo que no puede catalizar reacciones químicas.

Las enzimas que permiten que el ADN se replique en los organismos existentes son proteínas, por lo que están formadas por aminoácidos. Entonces el ADN no podría replicarse a menos que hubiera aminoácidos alrededor. El ARN podría replicarse, incluso si no hubiera aminoácidos alrededor.

Tanto el ARN como el ADN están hechos de un azúcar simple y ácidos nucleicos unidos entre sí. Las enzimas en los organismos existentes están hechas de aminoácidos. Entonces, si el ADN codifica proteínas, y las proteínas catalizan la replicación del ADN, entonces parece que las dos deben haber surgido al mismo tiempo.

El ARN puede replicarse y actuar como una enzima. Una molécula de ARN puede actuar como la enzima que permite que otra molécula de ARN se replique. La estructura de cadena sencilla del ARN le permite adoptar una amplia variedad de formas, por lo que puede catalizar reacciones químicas.

Un modelo de biogénesis plantea la hipótesis de que los primeros seres vivos (¿protoorganismos?) Utilizaron ARN en lugar de ADN para transmitir información hereditaria. Esto se llama el modelo ‘mundo de ARN’. Este protoorganismo no tenía enzimas hechas de proteínas. El protoorganismo utilizó enzimas hechas de ARN.

Los organismos de ARN evolucionaron en organismos de ADN en este modelo. Los organismos complejos hechos casi completamente de ARN evolucionaron para producir proteínas y ADN para replicarse mejor. Los restantes organismos de ARN se extinguieron.

El ARN permanece en los organismos modernos como una forma de traducir el código de ADN en un código de proteína. Sin embargo, el concepto de traducción es bastante subjetivo. Quizás sea más exacto decir que la molécula de ARN construye una célula que produce más moléculas de ARN. El ADN y las proteínas son básicamente los medios por los cuales una molécula de ARN se replica a sí misma. Tal vez en el pasado, el ARN hizo ARN más directamente sin ADN o proteína.

Mi propia opinión es que el mundo de ARN no explica completamente la abiogénesis. Me parece que los organismos de ARN serían, en el mejor de los casos, un pequeño paso en la evolución.

Hay muchos modelos por ahí que plantean la hipótesis de un mundo de “metabolismo primero”. Los primeros modelos de metabolismo plantean la hipótesis de que los minerales se usaron para catalizar la síntesis de proteínas antes de que hubiera ADN o ARN. Estos organismos evolucionados producen enzimas basadas en proteínas que producen ADN y ARN.

Entonces, tal vez el mundo del ARN es un paso innecesario hacia los organismos basados ​​en el ADN. O tal vez el ARN es un paso intermedio para el ADN.

Esa es un área de investigación activa, pero quizás pueda abordar algunos de los principales problemas.

Primero, recuerde que es suficiente que una molécula de ARN “autorreplicante” replique otra molécula idéntica; no tiene que replicar literalmente la molécula que está haciendo la replicación.

En segundo lugar, es suficiente que un grupo de moléculas de ARN separadas se unan en una “máquina de ARN” que replica las moléculas de ARN. Es decir, tal vez hay moléculas de ARN A, B y C, que cuando se unen, pueden replicar moléculas como A, moléculas como B y moléculas como C. El resultado final es el mismo: comienzas con algo de A, Moléculas B y C que pueden unirse para formar una “máquina” ABC que produce más moléculas A, B y C.

¿Por qué es importante este segundo punto? Bueno, hace que la evolución de una máquina ABC sea mucho más fácil de entender. Para copiar una molécula de ARN, debe ser capaz de (1) tomar otra molécula de ARN, (2) identificar cada base en la secuencia y (3) agregar una nueva base (la identificada por la parte (2)) a una molécula de ARN que está “en construcción”. Estas tres actividades son bastante diferentes y pueden ocurrir en diferentes lugares de la “máquina”; En este sentido, son modulares. Una vez que haya versiones imperfectas de cada una de estas tres capacidades, una mejor versión de cualquiera de las tres causará un aumento en la capacidad de copiar moléculas de ARN, incluido él mismo, y es probable que surja una mejor máquina de autorreplicación. Las moléculas A, B y C también son más pequeñas y, por lo tanto, es más fácil terminar de copiar cualquiera de ellas que terminar de copiar la molécula ABC completa. Esto significa que la versión imperfecta de la máquina no tiene que ser tan perfecta para copiar moléculas.

Entonces, en lugar de tratar de imaginar la evolución de una molécula que pueda copiarse perfectamente cada vez, piense en lugar de la evolución de un conjunto de partes, cada una de las cuales puede ser algo imperfecta, pero juntas funcionan lo suficientemente bien como para copiar cualquier parte de vez en cuando. Una vez que esto ocurra, surgirán partes copiadas incorrectamente que realmente funcionan incluso mejor que el original, y el hecho de que la máquina sea una copiadora impulsará la evolución de una máquina mejor.

Ahora, si eso todavía suena como un desafío desalentador, bueno, lo es. Para que suceda en un matraz de 1 litro lleno de exudado primordial, puede tomar 6 mil millones de años para que tal sistema surja por casualidad. Pero la Tierra primitiva no solo tenía un matraz de 1 litro, tenía un océano de quizás 1 billón de litros. Ahora no se tome en serio ni los 6 mil millones de años ni los 1 mil millones de litros, solo son grandes números y ni siquiera son suposiciones razonables; son solo números que saqué de un sombrero. Pero sí creo que las personas tienden a pensar en términos de un “laboratorio” del tamaño de un ser humano, y qué se puede hacer al respecto en un “tiempo razonable”. El hecho es que la Tierra tenía una biblioteca gigantesca, y todo el tiempo del mundo, para experimentar.

A partir de esta comprensión más realista de lo que tenía que ocurrir y de cuánto espacio de laboratorio había en el que podía ocurrir, puede parecer más razonable.

El “mundo de ARN” y los intentos relacionados de explicar la abiogénesis estaban cargados de grandes improbabilidades.

Estos fueron abordados con considerable detalle y con gran claridad por Robert Shapiro en 1985.

Lamentablemente, a pesar de esta “llamada de atención”, gran parte de la comunidad científica todavía está incrustada en el paradigma de la “sopa primitiva” ahora desacreditado. En gran parte porque la mayoría de los biólogos, incluidos algunos de ellos, como Richard Dawkins, que hacen mucho ruido. tener una comprensión pobre de la física y la química fundamentales.

Ninguno de los primeros modelos de ADN, primero de ARN, primero de proteína o de membrana celular que todavía están en conflicto son realmente compatibles con las leyes establecidas de la química y la física. El libro de Shapiro “Orígenes, una guía escéptica para la creación de vida en la Tierra” dio una explicación exhaustiva y definitiva de por qué este es el caso.

Sin embargo, en estos tiempos emocionantes, cada vez se reconoce más ampliamente que la noción inicial de que los primeros casos identificables de biología fueron moléculas auto-replicantes desnudas (hebras de ADN, ARN o proteínas) o burbujas de lípidos “vacías”, es profundamente defectuosa.

No tiene evidencia y, además, ni siquiera se le puede dar una base heurística sólida. Solo uno de esos mitos que se ha infiltrado insidiosamente en círculos científicos sin un desafío serio. Junto con las nociones igualmente poco prácticas que implican panspermia. Sin mencionar el débil error mental de que “Dios lo hizo”

Hoy, un modelo mucho más plausible que es consistente con los principios conocidos de la física y la química deriva del descubrimiento de los respiraderos hidrotermales alcalinos de aguas profundas.

Este modelo proporciona la coevolución de enzimas, nucleótidos y, lo que es más importante, el componente que a menudo se pasa por alto, pero absolutamente crucial, una membrana celular equipada con medios de influjo selectivo de nutrientes y flujo de desechos.

Los penachos generados por los respiraderos proporcionan grandes matrices de cavidades catalíticas del tamaño de una celda, completas con precursores químicos adecuados, flujo y energía favorable que finalmente lleva las probabilidades dentro de límites razonables.

Este escenario se explora en detalle en el capítulo 9 de mi reciente libro “El generador de complejidad: empujando la química y la geometría hacia arriba”.