Un equipo de Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Munich ha demostrado que ligeras alteraciones en las moléculas de ARN de transferencia ARNt les permiten autoensamblarse en una unidad funcional que puede replicar información exponencialmente. Los ARNt son elementos clave en la evoluciónde formas de vida tempranas.
La vida tal como la conocemos se basa en una compleja red de interacciones, que tienen lugar a escalas microscópicas en células biológicas e involucran a miles de especies moleculares distintas. En nuestros cuerpos, un proceso fundamental se repite innumerables veces al día.operación conocida como replicación, las proteínas duplican la información genética codificada en las moléculas de ADN almacenadas en el núcleo celular, antes de distribuirlas por igual a las dos células hijas durante la división celular. La información se copia 'transcribe' selectivamente en lo que se denominamoléculas de ARN mensajero ARNm, que dirigen la síntesis de las muchas proteínas diferentes que requiere el tipo de célula en cuestión. Un segundo tipo de ARN, el ARN de transferencia ARNt, desempeña un papel central en la 'traducción' de los ARNm en proteínas.Los ARN de transferencia actúan como intermediarios entre los ARNm y las proteínas: garantizan que las subunidades de aminoácidos de las que se compone cada proteína particular se unan en la secuencia especificada por elARNm correspondiente.
¿Cómo pudo surgir una interacción tan compleja entre la replicación del ADN y la traducción de los ARNm en proteínas cuando los sistemas vivos evolucionaron por primera vez en la Tierra primitiva? Tenemos aquí un ejemplo clásico del problema del huevo y la gallina: las proteínas son necesariaspara la transcripción de la información genética, pero su síntesis en sí depende de la transcripción.
Los físicos de LMU dirigidos por el profesor Dieter Braun han demostrado cómo se podría haber resuelto este enigma. Han demostrado que modificaciones menores en las estructuras de las moléculas de ARNt modernas les permiten interactuar de forma autónoma para formar una especie de módulo de replicación, que es capaz deinformación que replica exponencialmente. Este hallazgo implica que los ARNt, los intermediarios clave entre la transcripción y la traducción en las células modernas, también podrían haber sido el vínculo crucial entre la replicación y la traducción en los primeros sistemas vivos. Por lo tanto, podría proporcionar una solución clara a la preguntade cuál vino primero, ¿información genética o proteínas?
Sorprendentemente, en términos de sus secuencias y estructura general, los ARNt están altamente conservados en los tres dominios de la vida, es decir, las arqueas y bacterias unicelulares que carecen de núcleo celular y las eucariotas organismos cuyas células contienen un núcleo verdadero.Este hecho en sí mismo sugiere que los ARNt se encuentran entre las moléculas más antiguas de la biosfera.
Al igual que los pasos posteriores en la evolución de la vida, la evolución de la replicación y la traducción, y la compleja relación entre ellas, no fue el resultado de un solo paso repentino. Se entiende mejor como la culminación de un viaje evolutivo."Es probable que fenómenos fundamentales como la autorreplicación, la autocatálisis, la autoorganización y la compartimentación hayan jugado un papel importante en estos desarrollos", dice Dieter Braun.disponibilidad de entornos que proporcionan condiciones de no equilibrio ".
En sus experimentos, Braun y sus colegas utilizaron un conjunto de hebras de ADN recíprocamente complementarias modeladas sobre la forma característica de los ARNt modernos. Cada una estaba compuesta por dos 'horquillas' así llamadas porque cada hebra podía emparejarse parcialmente con sí misma y formar unaestructura de bucle alargado, separados por una secuencia de información en el medio. Ocho de estos hilos pueden interactuar a través del emparejamiento de bases complementario para formar un complejo. Dependiendo de los patrones de emparejamiento dictados por las regiones informativas centrales, este complejo fue capaz de codificar un 4dígito código binario.
Cada experimento comenzó con una plantilla, una estructura informativa compuesta por dos tipos de secuencias informativas centrales que definen una secuencia binaria. Esta secuencia dictaba la forma de la molécula complementaria con la que puede interactuar en el conjunto de hebras disponibles.Los investigadores continuaron demostrando que la estructura binaria de la plantilla se puede copiar repetidamente, es decir, amplificar, aplicando una secuencia repetida de fluctuaciones de temperatura entre el calor y el frío. "Por lo tanto, es concebible que tal mecanismo de replicación podría haber tenido lugar en un microsistema hidrotermal.en la Tierra primitiva ", dice Braun. En particular, las soluciones acuosas atrapadas en rocas porosas en el lecho marino habrían proporcionado un entorno favorable para tales ciclos de reacción, ya que se sabe que las oscilaciones de temperatura naturales, generadas por corrientes de convección, ocurren en tales entornos.
Durante el proceso de copia, las hebras complementarias extraídas del conjunto de moléculas se emparejan con el segmento informativo de las hebras de la plantilla. Con el paso del tiempo, las horquillas adyacentes de estas hebras también se emparejan para formar una columna vertebral estable, yLas oscilaciones de temperatura continúan impulsando el proceso de amplificación. Si la temperatura aumenta durante un breve período, las hebras de la plantilla se separan de la réplica recién formada y ambas pueden servir como hebras de la plantilla en la siguiente ronda de replicación.
El equipo pudo demostrar que el sistema es capaz de replicarse exponencialmente. Este es un hallazgo importante, ya que muestra que el mecanismo de replicación es particularmente resistente al colapso debido a la acumulación de errores. El hecho de que la estructura del replicadorEl complejo en sí se parece al de los ARNt modernos sugiere que las formas tempranas de ARNt podrían haber participado en los procesos de replicación molecular, antes de que las moléculas de ARNt asumieran su función moderna en la traducción de secuencias de ARN mensajero en proteínas ". Este vínculo entre la replicación y la traducción en un escenario evolutivo tempranopodría proporcionar una solución al problema del huevo y la gallina ", dice Alexandra Kühnlein. También podría explicar la forma característica de los proto-tRNA y dilucidar el papel de los tRNA antes de que fueran cooptados para su uso en la traducción.
La investigación de laboratorio sobre el origen de la vida y el surgimiento de la evolución darwiniana a nivel de polímeros químicos también tiene implicaciones para el futuro de la biotecnología. "Nuestras investigaciones de las formas tempranas de replicación molecular y nuestro descubrimiento de un vínculo entre replicación y traducción traenos acerca un paso más a la reconstrucción del origen de la vida ", concluye Braun.
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universität München . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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