Cuando la vida en la Tierra comenzó hace casi 4 mil millones de años, mucho antes de que los humanos, los dinosaurios o incluso las primeras formas de vida unicelulares deambularan, puede haber comenzado como un hipo en lugar de un rugido: pequeños bloques de construcción moleculares simples conocidos comoLos "monómeros" se unen en cadenas más largas de "polímero" y se desmoronan en los charcos cálidos de lodo primordial una y otra vez
Entonces, en algún punto a lo largo de la línea, estas cadenas de polímeros en crecimiento desarrollaron la capacidad de hacer copias de sí mismas. La competencia entre estas moléculas permitiría que las más eficientes para hacer copias de sí mismas lo hagan más rápido o con mayor abundancia, un rasgo que podríasean compartidas por las copias que hicieron. Estos replicadores rápidos llenarían la sopa más rápido que los otros polímeros, permitiendo que la información que codificaran se transmitiera de una generación a otra y, eventualmente, dando lugar a lo que pensamos hoy como vida.
O eso dice la historia. Pero sin un registro fósil para verificar de aquellos primeros días, es una narración que todavía falta algunos capítulos. Una pregunta en particular sigue siendo problemática: qué permitió el salto de una sopa primordial de monómeros individuales a sí mismo-cadenas de polímero replicantes?
Un nuevo modelo publicado esta semana en The Journal of Chemical Physics, de AIP Publishing, propone un mecanismo potencial por el cual podría haber surgido la autorreplicación. Postula que la ligadura asistida por plantilla, la unión de dos polímeros mediante el uso de un tercero,uno más largo como plantilla, podría haber permitido que los polímeros se auto-replicaran.
"Intentamos llenar este vacío en la comprensión entre sistemas físicos simples para algo que pueda comportarse de una manera realista y transmitir información", dijo Alexei Tkachenko, investigador del Laboratorio Nacional Brookhaven. Tkachenko llevó a cabo la investigación junto con Sergei Maslov, profesor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign con cita conjunta en Brookhaven.
Orígenes de la autorreplicación
La autorreplicación es un proceso complicado: el ADN, la base de la vida en la Tierra hoy en día, requiere una cohorte coordinada de enzimas y otras moléculas para duplicarse. Los primeros sistemas de autorreplicación fueron seguramente más rudimentarios, pero su existencia enel primer lugar sigue siendo algo desconcertante.
Tkachenko y Maslov han propuesto un nuevo modelo que muestra cómo podrían haber funcionado las primeras moléculas autorreplicantes. Su modelo cambia entre fases "diurnas", donde los polímeros individuales flotan libremente, y fases "nocturnas", donde se unen para formarcadenas más largas mediante ligadura asistida por plantilla. Las fases son impulsadas por cambios cíclicos en las condiciones ambientales, como la temperatura, el pH o la salinidad, que desequilibran el sistema e inducen a los polímeros a unirse o separarse.
Según su modelo, durante los ciclos nocturnos, múltiples polímeros cortos se unen a hebras de polímeros más largas, que actúan como plantillas. Estas hebras de plantillas más largas mantienen los polímeros más cortos lo suficientemente cerca entre sí como para que puedan unirse para formar una hebra más larga- una copia complementaria de al menos parte de la plantilla. Con el tiempo, los polímeros recién sintetizados llegan a dominar, dando lugar a un sistema autocatalítico y autosustentable de moléculas lo suficientemente grandes como para potencialmente codificar planos para la vida, predice el modelo
Los polímeros también pueden unirse entre sí sin la ayuda de una plantilla, pero el proceso es algo más aleatorio: una cadena que se forma en una generación no necesariamente se trasladará a la siguiente. Por otro lado, la ligadura asistida por plantilla,es un medio más fiel de preservar la información, ya que las cadenas de polímeros de una generación se utilizan para construir la siguiente. Por lo tanto, un modelo basado en la ligadura asistida por plantillas combina el alargamiento de las cadenas de polímeros con su replicación, proporcionando un mecanismo potencial para la heredabilidad.
Si bien algunos estudios anteriores han argumentado que es necesaria una combinación de los dos para mover un sistema de monómeros a polímeros autorreplicantes, el modelo de Maslov y Tkachenko demuestra que es físicamente posible que surja la autorreplicación con solo ligadura asistida por plantilla.
"Lo que hemos demostrado por primera vez es que incluso si todo lo que tiene es ligadura asistida por plantilla, aún puede arrancar el sistema con sopa primordial", dijo Maslov.
La idea de la autorreplicación de la conducción de la ligadura asistida por plantillas se propuso originalmente en la década de 1980, pero de manera cualitativa. "Ahora es un modelo real que puede ejecutarse a través de una computadora", dijo Tkachenko. "Es una pieza sólida deciencia a la que puede agregar otras funciones y estudiar los efectos de la memoria y la herencia "
Bajo el modelo de Tkachenko y Maslov, el cambio de monómeros a polímeros es muy repentino. También es histéresis, es decir, se requieren ciertas condiciones para dar el salto inicial de monómeros a polímeros autorreplicantes, peroesos estrictos requisitos no son necesarios para mantener un sistema de polímeros autorreplicantes una vez que uno haya saltado el primer obstáculo.
Una limitación del modelo que los investigadores planean abordar en futuros estudios es suponer que todas las secuencias de polímeros tienen la misma probabilidad de ocurrir. La transmisión de información requiere una variación hereditaria en las frecuencias de secuencia: ciertas combinaciones de códigos de bases para proteínas particulares, quetienen diferentes funciones. El siguiente paso, entonces, es considerar un escenario en el que algunas secuencias se vuelven más comunes que otras, permitiendo que el sistema transmita información significativa.
El modelo de Maslov y Tkachenko se ajusta a la hipótesis mundial de ARN actualmente favorecida: la creencia de que la vida en la Tierra comenzó con moléculas de ARN autocatalíticas que luego conducen al ADN más estable pero más complejo como modo de herencia. Pero porque es tan general, podría usarse para probar cualquier hipótesis de origen de vida que se base en la aparición de un sistema autocatalítico simple.
"El modelo, por diseño, es muy general", dijo Maslov. "No estamos tratando de abordar la cuestión de de dónde proviene esta sopa primordial de monómeros" o las moléculas específicas involucradas. Más bien, su modelo muestra uncamino físicamente plausible del monómero al polímero autorreplicante, avanzando un paso más cerca de comprender los orígenes de la vida.
Antecedentes: Camarero, hay un ARN en mi sopa primordial: Rastreando los orígenes de la vida, desde Darwin hasta hoy
Casi todas las culturas en la tierra tienen una historia de orígenes, una leyenda que explica su existencia. Los humanos parecemos tener una profunda necesidad de una explicación de cómo terminamos aquí, en este pequeño planeta girando a través de un vasto universo. Los científicos también,Durante mucho tiempo hemos buscado nuestra historia de los orígenes, tratando de discernir cómo, a escala molecular, la Tierra cambió de un desorden de moléculas inorgánicas a un sistema de vida ordenado. La pregunta es imposible de responder con certeza: no hay registros fósiles, ysin testigos oculares, pero eso no ha impedido que los científicos lo intenten.
En los últimos 150 años, nuestra comprensión cambiante de los orígenes de la vida ha reflejado la aparición y el desarrollo de los campos de la química orgánica y la biología molecular. Es decir, una mayor comprensión del papel que juegan los nucleótidos, las proteínas y los genes en la configuración de nuestroEl mundo de hoy también ha mejorado gradualmente nuestra capacidad de mirar hacia su misterioso pasado.
Cuando Charles Darwin publicó su seminario Sobre el origen de las especies en 1859, dijo poco sobre el surgimiento de la vida misma, posiblemente porque, en ese momento, no había forma de probar tales ideas. Sus únicas observaciones reales sobre el temaproviene de una carta posterior a un amigo, en la que sugirió que la vida surgió de un "pequeño estanque cálido" con un rico caldo químico de iones. Sin embargo, la influencia de Darwin fue de gran alcance, y su comentario despreocupado formó la base demuchos orígenes de los escenarios de la vida en los años siguientes.
A principios del siglo XX, la idea fue popularizada y ampliada por un bioquímico ruso llamado Alexander Oparin. Propuso que la atmósfera en la Tierra primitiva se estaba reduciendo, lo que significa que tenía un exceso de carga negativa. Este desequilibrio de carga podría catalizar la existencia existenteuna sopa prebiótica de moléculas orgánicas en las primeras formas de vida.
La escritura de Oparin finalmente inspiró a Harold Urey, quien comenzó a defender la propuesta de Oparin. Urey luego llamó la atención de Stanley Miller, quien decidió probar formalmente la idea. Miller tomó una mezcla de lo que él creía que los océanos de la Tierra primitiva podrían haber contenido:una mezcla reductora de metano, amoníaco, hidrógeno y agua, y lo activó con una chispa eléctrica. La sacudida de la electricidad, actuando como un rayo, transformó casi la mitad del carbono del metano en compuestos orgánicos.compuestos que produjo fue glicina, el aminoácido más simple.
El innovador experimento de Miller-Urey demostró que la materia inorgánica podría dar lugar a estructuras orgánicas. Y aunque la idea de una atmósfera reductora gradualmente cayó en desgracia, reemplazada por un ambiente rico en dióxido de carbono, el marco básico de Oparin de una sopa primordial ricacon moléculas orgánicas pegadas.
La identificación del ADN como el material hereditario común a toda la vida, y el descubrimiento de que el ADN codificado por ARN, que codificaba por proteínas, proporcionó una nueva visión de la base molecular de la vida. Pero también obligó a los orígenes de los investigadores a responderpregunta desafiante: ¿cómo podría haber comenzado esta complicada maquinaria molecular? El ADN es una molécula compleja, que requiere un equipo coordinado de enzimas y proteínas para replicarse. Su aparición espontánea parecía improbable.
En la década de 1960, tres científicos, Leslie Orgel, Francis Crick y Carl Woese, de forma independiente sugirieron que el ARN podría ser el eslabón perdido. Debido a que el ARN puede autorreplicarse, podría haber actuado como el material genético y el catalizador paravida temprana en la tierra. El ADN, más estable pero más complejo, habría surgido más tarde.
Hoy, se cree ampliamente aunque de ninguna manera universalmente aceptado que en algún momento de la historia, un mundo basado en ARN dominó la tierra. Pero cómo llegó allí, y si había un sistema más simple antes que él,todavía está en debate. Muchos argumentan que el ARN es demasiado complicado para haber sido el primer sistema autorreplicante en la tierra, y que algo más simple lo precedió.
Graham Cairns-Smith, por ejemplo, ha argumentado desde la década de 1960 que las primeras estructuras genéticas no se basaban en ácidos nucleicos, sino en cristales imperfectos que surgieron de la arcilla. Los defectos en los cristales, creía, almacenaban información quepodría replicarse y pasar de un cristal a otro. Su idea, aunque intrigante, no es ampliamente aceptada hoy en día.
Otros, tomados más en serio, sospechan que el ARN puede haber surgido en concierto con los péptidos, un mundo de ARN-péptido, en el que los dos trabajaron juntos para desarrollar la complejidad. Los estudios bioquímicos también están proporcionando información sobre análogos de ácido nucleico más simples que podríanhan precedido las bases familiares que componen el ARN en la actualidad. También es posible que los primeros sistemas autorreplicantes en la tierra no hayan dejado rastro de sí mismos en nuestros sistemas bioquímicos actuales. Puede que nunca lo sepamos y, sin embargo, el desafío de la búsqueda pareceser parte de su atractivo
Una investigación reciente realizada por Tkachenko y Maslov, publicada el 28 de julio de 2015 en The Journal of Chemical Physics, sugiere que las moléculas autorreplicantes como el ARN pueden haber surgido a través de un proceso llamado ligadura asistida por plantilla. Es decir, bajo ciertas condiciones ambientales,los polímeros pequeños podrían unirse a hebras de plantilla de polímero complementarias más largas, manteniendo las hebras cortas lo suficientemente cerca una de la otra como para que pudieran fusionarse en hebras más largas. A través de cambios cíclicos en las condiciones ambientales que inducen a hebras complementarias a unirse y luego desmoronarserepetidamente, podría surgir una colección autosuficiente de polímeros hibridados y autorreplicantes capaces de codificar los planos de por vida.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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