Los químicos de UCL han demostrado cómo dos de los ingredientes más fundamentales de la biología, el ARN (ácido ribonucleico) y los aminoácidos, podrían haberse unido espontáneamente en el origen de la vida hace cuatro mil millones de años.
Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas, los «caballos de batalla» de la vida esenciales para casi todos los procesos vivos. Pero las proteínas no pueden replicarse o producirse: requieren instrucciones. Estas instrucciones son proporcionadas por ARN, un primo químico cercano de ADN (ácido desoxirribonucleico).
En un nuevo estudio, publicado en Naturalezalos investigadores vincularon químicamente los aminoácidos de la vida con el ARN en condiciones que podrían haber ocurrido en la Tierra temprana, un logro que ha eludido a los científicos desde principios de la década de 1970.
El profesor senior, el profesor Matthew Powner, con sede en el Departamento de Química de la UCL, dijo: «La vida se basa en la capacidad de sintetizar proteínas: son las moléculas funcionales clave de la vida. Comprender el origen de la síntesis de proteínas es fundamental para comprender de dónde proviene la vida.
«Nuestro estudio es un gran paso hacia este objetivo, que muestra cómo el ARN podría haber llegado a controlar la síntesis de proteínas.
«La vida hoy usa una máquina molecular inmensamente compleja, el ribosoma, para sintetizar proteínas. Esta máquina requiere instrucciones químicas escritas en el ARN mensajero, que lleva la secuencia de un gen desde el ADN de una célula al ribosoma. El ribosoma entonces, como una línea de ensamblaje de fábrica, lee este ARN y vincula los aminoácidos, uno por uno, para crear una proteína.
«Hemos logrado la primera parte de ese proceso complejo, utilizando una química muy simple en el agua a pH neutro para vincular los aminoácidos con el ARN. La química es espontánea, selectiva y podría haber ocurrido en la tierra temprana».
Los intentos anteriores de unir aminoácidos al ARN usaron moléculas altamente reactivas, pero estos se rompieron en agua y causaron que los aminoácidos reaccionaran entre sí, en lugar de vincularse con el ARN.
Para el nuevo estudio, los investigadores se inspiraron en la biología, utilizando un método más suave para convertir los aminoácidos de la vida en una forma reactiva. Esta activación implicó un tioester, un compuesto químico de alta energía importante en muchos de los procesos bioquímicos de la vida y eso ya ha sido teorizado para desempeñar un papel al comienzo de la vida*.
El profesor Powner dijo: «Nuestro estudio une dos teorías de origen prominente de la vida: el ‘mundo de ARN’, donde se propone que el ARN auto-replicante sea fundamental, y el ‘mundo de los tioester’, en el que los tioestres son vistos como la fuente de energía para las primeras formas de vida».
Para formar estos tioestres, los aminoácidos reaccionan con un compuesto con azufre llamado pantetheína. El año pasado, el mismo equipo publicó un documento que demuestra la pantetéína se puede sintetizar en condiciones tempranas de la Tierra, lo que sugiere que probablemente jugaría un papel en la vida inicial.
El siguiente paso, dijeron los investigadores, fue establecer cómo las secuencias de ARN podrían unirse preferentemente a aminoácidos específicos, para que el ARN pudiera comenzar a codificar las instrucciones para la síntesis de proteínas: el origen del código genético.
«Hay numerosos problemas que superar antes de que podamos dilucidar completamente el origen de la vida, pero los más desafiantes y emocionantes siguen siendo los orígenes de la síntesis de proteínas», dijo el profesor Powner.
El autor principal, el Dr. Jyoti Singh, de la química de UCL, dijo: «Imagine el día en que los químicos podrían tomar moléculas simples y pequeñas, que consisten en carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y átomos de azufre, y de estas piezas de LEGO forman moléculas capaces de auto-representación. Esto sería un paso monumental hacia la resolución de la vida de la vida.
«Nuestro estudio nos acerca a ese objetivo al demostrar cómo dos piezas químicas de LEGO primordiales (aminoácidos activados y ARN) podrían haber construido péptidos **, cadenas cortas de aminoácidos que son esenciales para la vida.
«Lo que es particularmente innovador es que el aminoácido activado utilizado en este estudio es un tioester, un tipo de molécula hecha de coenzima A, un químico que se encuentra en todas las células vivas. Este descubrimiento podría vincular potencialmente el metabolismo, el código genético y la construcción de proteínas».
Si bien el documento se centra únicamente en la química, el equipo de investigación dijo que las reacciones que demostraron podrían haber tenido lugar plausiblemente en piscinas o lagos de agua en la tierra temprana (pero no probablemente en los océanos, ya que las concentraciones de los productos químicos probablemente se diluirían demasiado).
Las reacciones son demasiado pequeñas para ver con un microscopio de luz visible y se rastrearon utilizando una gama de técnicas que se utilizan para sondear la estructura de las moléculas, incluidos varios tipos de resonancia magnética (que muestra cómo se organizan los átomos) y espectrometría de masas (que muestra el tamaño de las moléculas).
Notas
*El Premio Nobel Christian de Duve propuso que la vida comenzó con un «mundo tioester», una teoría del metabolismo primero que prevé que la vida fue iniciada por reacciones químicas impulsadas por la energía en los tioestres.
** Los péptidos generalmente consisten en dos a 50 aminoácidos, mientras que las proteínas son más grandes, a menudo contienen cientos o incluso miles de aminoácidos, y se doblan en forma 3D. Como parte de su estudio, el equipo de investigación mostró cómo, una vez que los aminoácidos se cargaron al ARN, podrían sintetizar con otros aminoácidos para formar péptidos.
El trabajo fue financiado por el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), la Fundación Simons y la Royal Society.
