Intentar explicar cómo el ADN y el ARN evolucionaron para formar espirales tan ordenadas ha sido un enigma notorio en la ciencia. Pero un nuevo estudio sugiere que la rotación pudo haber ocurrido con facilidad hace miles de millones de años cuando los ancestros químicos del ARN se convirtieron casualmente en hebras en espiral.
En el laboratorio, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia se sorprendieron al ver que lo hacían en condiciones que se creían comunes en la Tierra justo antes de que evolucionara la primera vida: en agua corriente, sin catalizadores, y a temperatura ambiente.
La espiral ordenada también integró con elegancia otro compuesto que hoy forma la columna vertebral de ARN y ADN. La estructura resultante tenía características que se parecían mucho al ARN.
giros fundamentales
El estudio ha dado un paso más cerca de responder a una pregunta de huevo de gallina sobre el camino evolutivo que condujo al ARN del cual luego evolucionó el ADN: la espiral vino primero, y esta estructura influyó en los componentes moleculares que más tarde llegaron¿ARN porque encajan bien en la espiral?
"La espiral podría haber tenido un efecto de refuerzo. Podría haber facilitado la conexión de las moléculas que tienen la misma quiralidad curva para conectarse a una columna vertebral común que es compatible con el giro helicoidal", dijo el investigador principal del estudio NicholasHud, profesor de regentes en la Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech.
Los investigadores publicaron el nuevo estudio en la revista Angewandte Chemie en diciembre de 2018. La investigación fue financiada por la National Science Foundation y el Programa de Astrobiología de la NASA bajo el Centro para la Evolución Química. El centro tiene su sede en Georgia Tech, y Hud es su investigador principal.
Los polímeros resultantes del estudio no eran ARN, pero podrían haber sido un paso intermedio importante en la evolución temprana del ARN. Para los bloques de construcción, los investigadores utilizaron moléculas de base denominadas "proto-nucleobases", muy sospechosas de ser precursoras de nucleobases, componentes principales que transportan el código genético en el ARN actual.
paradoja de la base nuclear
El estudio tuvo que solucionar una paradoja en la evolución química :
Hacer ARN o ADN usando sus nucleobases reales en el laboratorio sin la ayuda de las enzimas de las células vivas que generalmente hacen este trabajo es más que una tarea hercúlea. Por lo tanto, aunque el ARN y el ADN son omnipresentes en la Tierra ahora, su evolución en pre-vida de la Tierra parece haber sido una anomalía que requiere convergencias erráticas de condiciones extremas.
Por el contrario, el modelo de evolución química de los investigadores de Georgia Tech sostiene que las nucleobases precursoras se autoensamblan fácilmente en prototipos ancestrales, que eran similares a polímeros y se denominan ensamblajes, que luego evolucionaron en ARN.
"Llamaríamos a estas 'proto-nucleobases' o 'nucleobases ancestrales'", dijo Hud. "Para nuestro modelo general de evolución química, estamos diciendo que estas proto-nucleobases, que se autoensamblan en estas largas cadenas,podría haber sido parte de una etapa muy temprana antes de que se incorporaran las nucleobases modernas "
Una de las principales proto-nucleobase sospechosas en este experimento, y en experimentos anteriores sobre la posible evolución del ARN, fue la triaminopirimidina TAP. El ácido cianúrico CA fue otra. Los investigadores sospechan que TAP y CA son parte deun proto-ARN.
Los enlaces químicos que mantienen unidos los ensamblajes de las dos proto-nucleobases sospechosas fueron sorprendentemente fuertes pero no covalentes, lo que es similar a conectar dos imanes. En el ARN, los enlaces principales que mantienen unidas las nucleobases modernas son enlaces covalentes, similares a la soldadura, ylas enzimas hacen esos enlaces en las células hoy.
sesgos helicoidales
Una hélice puede girar en espiral de dos maneras, zurdo o diestro. En química, una molécula también puede ser entregada, o quiral, formando las formas "L" o "D" de la molécula.
Por cierto, los componentes básicos del ARN y el ADN de hoy son todos en forma de D, que forman una hélice diestra. Por qué evolucionaron así sigue siendo un misterio.
Los lotes de TAP y CA con los que los investigadores comenzaron produjeron cantidades aproximadamente iguales de hélices diestras y zurdas, pero algo se destacó: regiones enteras de un lote estaban sesgadas en una dirección y estaban separadas de otras regiones que giraban principalmente en la otracamino.
"La propensión de las moléculas a elegir una dirección helicoidal era tan fuerte que grandes regiones de los lotes estaban formadas predominantemente por conjuntos que estaban retorcidos unidireccionalmente", dijo Hud.
Esto fue sorprendente porque las moléculas individuales de TAP y CA no tenían quiralidad propia, ni L ni D. Aún así, los giros tenían una dirección preferida.
'récord mundial'
Los investigadores agregaron dos experimentos más para probar qué tan fuertemente sus ensamblajes similares a ARN preferían hacer hélices con una sola mano
Primero, introdujeron un smidgeon de compuestos similares a TAP y CA, pero que tenían una quiralidad L o D, para empujar la dirección en espiral. Todo el lote se ajustó a la quiralidad del aditivo respectivo, lo que resultó en ensamblajes girando en una dirección unificadacomo lo hacen las hélices en el ARN y el ADN de hoy.
"Fue el nuevo récord mundial para la cantidad más pequeña de un dopante quiral aditivo que daría la vuelta a una solución completa", dijo Suneesh Karunakaran, primer autor del estudio e investigador graduado en el laboratorio de Hud. "Esto demostró lo fácil que esestaría en la naturaleza obtener cantidades abundantes de hélices unificadas "
Segundo, ponen el compuesto de azúcar ribosa-5-fosfato junto con TAP para emular más estrechamente los bloques de construcción actuales de ARN. La ribosa cayó en su lugar y el ensamblaje resultante giró en espiral en una dirección dictada por la quiralidad de la ribosa.
"Esta molécula formó fácilmente un ensamblaje similar al ARN que fue sorprendentemente estable, a pesar de que las piezas solo se mantenían juntas mediante enlaces no covalentes", dijo Karunakaran
revolución de la evolución
Los resultados del estudio en condiciones tan simples representan un salto adelante en la evidencia experimental de cómo el giro helicoidal de las biomoléculas ya podría haber existido mucho antes de que surgiera la vida.
La investigación también amplía un creciente cuerpo de evidencia que respalda una hipótesis no convencional del Centro para la Evolución Química, que prescinde de la necesidad de una narrativa de que los cataclismos raros y los ingredientes poco probables eran necesarios para producir los primeros componentes básicos de la vida.
En cambio, la mayoría de las biomoléculas probablemente surgieron en varios pasos graduales, en planicies de tierra tranquilas y barridas por la lluvia o en rocas a orillas del lago bañadas por las olas. Las moléculas precursoras con la reactividad correcta permitieron esos pasos fácilmente y produjeron abundantes materiales para otros pasos evolutivos
ingeniero de sótano
En el laboratorio, el autoensamblaje de hélice fue tan productivo que superó la capacidad de un dispositivo de detección para examinar la salida. Las regiones de un milímetro cuadrado o más de tamaño estaban empaquetadas con ensamblajes en forma de polímero en espiral unidireccional.
"Para mirarlos tuve que hacer ajustes en el equipo", dijo Karunakaran. "Hice agujeros en una lámina y lo puse delante del haz de nuestro espectropolarímetro".
Eso funcionó pero necesitaba mejorar, por lo que Hud se dirigió a su sótano en su casa para construir un escáner automático que pudiera manejar los abundantes resultados del experimento. Revelaba grandes regiones de hélices con la misma mano.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por Ben Brumfield. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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