Hipótesis del mundo de ARN

La hipótesis del mundo de ARN es uno de los principales candidatos a la abiogénesis. Propone que la vida en la Tierra surgió a partir de la versátil actividad de las moléculas de ARN, las cuales posteriormente originarían moléculas capaces de sintetizar proteínas y las moléculas de ADN. Estas moléculas al rodearse con liposomas formarían las primeras células.^[1]​^[2]​^[3]​^[4]​

ARN con sus bases nitrogenadas a la izquierda y ADN a la derecha.

Historia del mundo del ARN

En 1963 el biólogo molecular Alexander Rich del MIT especuló sobre esta idea en un artículo en el que contribuía a un volumen publicado en honor al fisiólogo y premio Nobel Albert Szent-Györgyi. La idea de una vida independiente basada en el ARN se puede encontrar en 1968 en el libro ''El código genético'' (The Genetic Code: the Molecular basis for Genetic Expression) de Carl Woese.^[5]​ La expresión "Mundo de ARN" fue empleada por primera vez por el premio nobel Walter Gilbert en 1986, al hilo de un comentario respecto de las recientes observaciones sobre las propiedades catalíticas de algunas formas de ARN.^[6]​ En 1989, Theodor Otto Diener propuso que fueron viroides los que caracterizaron el mundo precelular de ARN,^[7]​ teoría que viene sustentada actualmente con nuevas evidencias.^[8]​ Es ampliamente conocido por su trabajo en dilucidar la estructura tridimensional del ARN de transferencia, que es un componente del mecanismo de síntesis de proteínas, y por su descubrimiento de una forma levógira de ADN. El descubrimiento de ARNs que regulan la expresión génica ha permitido el desarrollo de medicamentos hechos de ARN, como los ARN pequeños de interferencia que silencian genes.

Propiedades del ARN

Artículo principal: Ácido ribonucleico

 

Esquema del mundo de ARN y el origen de la vida.

Las propiedades del ARN nos pueden dar una idea de la posibilidad conceptual de la hipótesis del mundo de ARN, aunque su plausibilidad como explicación del origen de la vida se encuentra debatida. Se sabe que el ARN es un eficiente catalizador y al igual que el ADN posee la capacidad de almacenar información.

Una versión de la hipótesis ligeramente distinta es que un tipo diferente de ácido nucleico, denominado "pre-ARN" fuera el primero en surgir como molécula autorreproductora, para ser reemplazado por el ARN solo después. Estos ácidos nucleicos a menudo se producen y polimerizan más fácilmente bajo condiciones prebióticas. Algunos candidatos serían el ANP, el ANT y el ANG.^[9]​ ^[10]​

El ARN como enzima

Artículo principal: Ribozima

Las enzimas de ARN o ribozimas ocurren en el actual "mundo de ADN". Las ribozimas desempeñan papeles de vital importancia. Las ribozimas son componentes esenciales de los ribosomas, los cuales son esenciales en la síntesis de proteínas. Pero también son posibles muchas otras funciones para las ribozimas aparte de la función de los ribosomas: la naturaleza emplea ampliamente el empalme de ARN, y la evolución dirigida ha creado ribozimas con una gran variedad de actividades. Entre las propiedades enzimáticas importantes para el comienzo de la vida se encuentran:

• La capacidad de autoduplicación o de duplicar otras moléculas de ARN. Se han producido en el laboratorio moléculas relativamente cortas de ARN. Las más cortas eran de una longitud de 165 bases, aunque se ha estimado que sólo parte de estas bases eran cruciales para esta función. Una versión cuya longitud era de 189 pares de bases obtenía una fidelidad de copia del 98.9%,^[11]​ lo que significaría que podría hacer una copia exacta de una molécula de ARN tan larga como ella misma de cada ocho copias, aunque esta ribozima de 189 bp como mucho podría polimerizar un molde de 14 nucleótidos de longitud, demasiado corto para considerarlo replicación, pero representa un gran comienzo. La mayor extensión de un cebador llevada a cabo por una ribozima de tipo polimerasa fue de 20 bp.^[12]​
• La capacidad de catalizar reacciones químicas sencillas que aumentan la creación de monómeros del ARN. Se han creado en el laboratorio moléculas relativamente pequeñas de ARN en el laboratorio con esa capacidad de manera artificial.^[13]​^[14]​
• La capacidad de formar enlaces peptídicos para producir péptidos cortos y, ocasionalmente, proteínas enteras. Esto se efectúa en las células modernas por los ribosomas, un complejo de dos moléculas grandes de ARN conocidas como ARN ribosómico junto con otras proteínas. Se piensa que las dos moléculas de ARNr son las responsables de esta actividad enzimática. Se ha creado en el laboratorio una molécula de ARN más corta capaz de formar enlaces peptídicos, y se ha sugerido que el ARNr evolucionó a partir de una molécula similar.^[15]​ Así, también se ha sugerido que los aminoácidos podrían inicialmente complementarse con moléculas de ARN como cofactores mejorando o diversificando sus capacidades enzimáticas, antes de evolucionar a péptidos más complejos; el RNAm puede haber evolucionado con a partir de tales moléculas de ADN, y el ARNt de moléculas que hayan catalizado transferencias de aminoácidos de ellos.^[16]​

ARN como almacén de información

El ARN es una molécula muy parecida al ADN y guarda dos diferencias químicas con éste, la estructura completa del ARN y del ADN son inmensamente similares. Una cadena de ADN y otra de ARN pueden unirse para formar una estructura de doble hélice. Esto hace posible el almacenamiento de información en el ARN de una forma muy parecida a la que se efectúa en el ADN.

Comparaciones de las estructuras del ADN y ARN

Artículos principales: ADN y ARN.

La principal diferencia es la presencia de un grupo hidroxilo en posición 2' del monosacárido ribosa en el ARN. Este grupo hace que la molécula sea menos estable. En las regiones flexibles del ARN (por ejemplo, las que no están constreñidas por la doble hélice) pueden ser atacadas químicamente por el enlace fosfodiéster adyacente de modo que se puede escindir. El grupo hidroxilo también fuerza a la ribosa a adoptar la conformación C3'-endo en lugar de la más habitual C2'-endo del ADN. Esto fuerza a la doble hélice a adoptar una conformación ligeramente diferente a la del ADN.

El ARN también utiliza un grupo de bases diferente -adenina, guanina, citosina y uracilo- en lugar de adenina, guanina, citosina y timina. El uracilo es químicamente similar a la timina, aunque emplea menos energía para producirse. En términos del apareamiento de bases esto no tiene ningún efecto, ya que la adenina puede unirse al uracilo perfectamente. Sin embargo, el uracilo es un producto de la trasmutación por daños de la citosina, haciendo que el ARN sea particularmente susceptible a mutaciones que pueden reemplazar un par de bases GC por GU o AU.

Limitaciones en el almacenamiento de información en el ARN

No es fácil almacenar grandes cantidades de información en el ARN. Las propiedades químicas del ARN hacen que las moléculas grandes de ARN sean inherentemente frágiles y se puedan fragmentar con facilidad, siendo posteriormente descompuestas en nucleótidos por hidrólisis. Las bases aromáticas también absorben fuertemente la fracción ultravioleta del espectro y podrían haber sido susceptibles de daños y descomposición por la radiación de fondo.^[17]​^[18]​ Estas limitaciones no hacen que sea imposible la utilización del ARN para almacenar información, sino solamente exigente desde el punto de vista energético (para reparar o reemplazar las moléculas dañadas de ARN) y propensas a la mutación. Mientras que esto hace que sea poco adecuado en la actual vida "optimizada" basada en el ADN, lo pudo haber sido para la vida primitiva.

Pruebas

La hipótesis del mundo de ARN se basa en la capacidad del ARN de almacenar, transmitir y duplicar la información genética, de la misma forma que lo hace el ADN. El ARN puede actuar también como una ribozima (una enzima hecha de ácido ribonucleico). Debido a que puede reproducirse a sí misma, desarrollando las tareas del ADN y de las proteínas (enzimas), se piensa que el ARN fue capaz de tener su propia vida independiente. Así, mientras que no se encontraron nucleótidos en el Experimento de Miller y Urey, sí se encontraron en las simulaciones y experimentaciones de otros investigadores, especialmente en las de Juan Oró, quien sintentizó adenina a partir de ácido cianhídrico. Experimentos con las ribozimas básicas, como el ARN viral del bacteriófago Qβ, han demostrado que las estructuras de ARN autorreplicantes sencillas pueden resistir incluso a fuertes presiones selectivas (como los terminadores de cadena de quiralidad opuesta).^[19]​

Walter Gilbert fue el primero en usar la expresión "mundo de ARN" en 1986. No obstante, la idea de vida ARN independiente es más antigua, y se puede encontrar en el libro de Carl Woese The Genetic Code.^[20]​ Cinco años antes, el biólogo molecular Alexander Rich, del Massachusetts Institute of Technology, ya había propuesto gran parte de la misma idea en un artículo escrito para un volumen publicado en honor del premio Nobel de Fisiología Albert Szent-Györgyi.

Dificultades con la hipótesis

Puesto que no existen rutas químicas para la síntesis abiogénica de nucleótidos a partir de las bases pirimidínicas de citosina y uracilo bajo condiciones prebióticas podría ser que los ácidos nucleicos no las contuvieran.^[21]​ Resulta revelador que el nucleósido citosina tenga una vida media en aislamiento de 19 días a 100 °C y 17.000 años en agua helada, lo cual es aún muy corto para los tiempos a escala geológica.^[22]​ Otros autores ponen en cuestión que la ribosa y otros azúcares del esqueleto de los ácidos nucleicos puedan ser lo suficientemente estables como para encontrarse entre el material genético original.^[23]​ Por ejemplo, se sabe que el enlace éster entre la ribosa y el ácido fosfórico en el ARN es propenso a la hidrólisis.^[24]​ Además, la ribosa tiene que ser toda del mismo enantiómero, porque cualquier nucleótido con una quiralidad diferente actuaría como terminador de la cadena.^[25]​

Origen del ARN

El origen del ARN es un tema oscuro para el mundo de ARN, pero se ha postulado que un tipo de moléculas intermediarias denominadas pre-ARN precedieron al ARN verdadero y la hipótesis del mundo de HAP postula que los hidrocarburos aromáticos policíclicos precedieron a las moléculas de pre-ARN. Tras haber surgido el ARN, este precedería al ADN, argumento que ha sido demostrado experimentalmente. Por otro lado, el ARN no precedió a las proteínas ya que estas provendrían de péptidos, por lo que actualmente se considera que el ARN y las proteínas coevolucionaron hasta unirse y formar las enzimas y ribosomas.

Detalles del mundo de ARN

Mecanismos propuestos para la síntesis prebiótica de ARN

Los nucleótidos son moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN. Consisten en una base nitrogenada unida a un esqueleto de azúcar-fosfato. El ARN está compuesto por largos tramos de nucleótidos específicos ordenados de tal modo que su secuencia de bases porta información. La hipótesis del mundo de ARN sostiene que en el caldo primigenio o sandwich primigenio existirían ya los nucleótidos en disolución. Estos nucleótidos formarían enlaces de forma regular con otros, que se romperían porque el cambio de energía era bajo. No obstante, ciertas secuencias de pares de bases tendrían propiedades catalíticas que disminuirían la energía para generar su cadena, haciendo que permanecieran juntos por periodos de tiempo más largos. A medida que se alargaba la cadena iba atrayendo los nucleótidos que encajaban de forma más rápida, haciendo que la cadena se formara más rápidamente que su velocidad de degradación. En los meteoritos metálicos es relativamente abundante el fosfuro de hierro y níquel, un mineral que en contacto con el agua libera radicales fosfato solubles en agua.

Se ha propuesto que estas cadenas eran las primeras y más primitivas formas de vida. En el mundo de ARN las diferentes cadenas competían entre ellas por los nucleótidos libres y estaban sujetas a la selección natural. Las moléculas más eficientes de ARN, aquellas capaces de catalizar eficientemente su propia reproducción, sobrevivían y evolucionaban, formando el moderno ARN.

La competición entre los ARN pudo haber favorecido el surgimiento de una cooperación entre cadenas diferentes, abriendo la vía para la formación de las primeras protocélulas. En algún momento las cadenas de ARN desarrollaron al azar propiedades catalíticas que ayudaban a los aminoácidos a unirse mediante enlaces peptídicos. Estos aminoácidos podrían entonces contribuir a la síntesis de ARN, proporcionando a esas cadenas de ARN que actuaban como ribozimas una ventaja selectiva. Con el tiempo fueron reclutadas para la vida el ADN, los lípidos, los carbohidratos y todos los tipos de sustancias químicas que hoy forman parte de ella. Esto condujo a la aparición de las primeras células procariotas y finalmente a la vida tal y como la vemos actualmente.

Desarrollos posteriores de la hipótesis

 

Esquema de las transiciones del mundo de ARN, indicando el origen de los diferentes tipos de virus y algunos elementos genómicos.

Se ha propuesto que las hipotéticas moléculas autorreplicantes del mundo de ARN estuvieron conformadas por los elementos genómicos o secuencias de las células como los ribosomas, ribozimas, intrones, retrones, transposones, plásmidos, enzimas, etc a la par de los virus, viroides, virusoides y virus satélite. Estas moléculas o entidades acelulares se les conoce comúnmente como "replicadores" o "replicones". El conjunto de replicones o elementos genéticos que pudo conformar el mundo de ARN y sus transiciones se le llama el "acervo genético primordial".^[3]​^[2]​^[26]​^[1]​ Theodor Diener propone que los viroides (agentes subvirales compuestos por ARN sin proteínas y lípidos), en función de sus propiedades características, los viroides son "reliquias vivas" más plausibles del mundo de ARN que los intrones u otros ARN que hasta entonces se consideraban como posibles modelos.^[27]​ Sí es así, los viroides han alcanzado una importancia potencial al representar las macromoléculas más plausibles conocidas capaces de explicar los pasos intermedios cruciales en la evolución de la vida a partir de la materia inanimada. Como la actividad catalítica, replicación prospensa a errores, estructura circular del ARN que asegura una replicación completa sin etiquetas genómicas, falta de codificación de proteínas, replicación mediada por ribozimas, la huella digital del mundo de ARN.^[28]​ Esto sostiene que dichas características pudieron haber estado presentes en las primeras moléculas autorreplicantes de ARN.

En base a estos descubrimientos Eugene Koonin (2006, 2014, 2020) y Patrick Forterre (2005, 2006) proponen que los virus, viroides y virus satélite pudieron mediar las transiciones del mundo de ARN junto con los otros replicadores. A estas transiciones del mundo de ARN se les ha denominado: mundo de ARN verdadero (la etapa inicial), mundo de ARN + proteínas, mundo de retrotranscripción y mundo de ADN (la etapa final). Se ha propuesto que los viroides junto con los ribozimas fueron los primeros replicadores de la etapa inicial del mundo de ARN debido a que no codifican proteínas, estos replicadores al haberse unido con proteínas, se pasaría al mundo de ARN + proteínas donde surgirían los virus de ARN, satélites de ARN, los ribosomas, las ARN polimerasas, posteriormente estos precederían a los retroelementos como los intrones del grupo II, retrones, exones, transcriptasa inversa, dando paso al mundo de retrotranscripción, a su vez estos elementos harían la transición del ARN al ADN pasando finalmente al mundo de ADN donde por último se originarían las ADN polimerasas, virus de ADN, satélites de ADN, transposones, plásmidos, repeticiones en tándem, etc. Los cromosomas ya se habrían desarrollado durante este último periodo. Estos acelulares o elementos genéticos al haberse unido con liposomas formados espontáneamente originarían los protobiontes.^[29]​^[2]​^[1]​^[26]​^[3]​^[4]​^[30]​ Un experimento (2015) ha demostrado que las cápsides de los virus pudieron haberse originado en el mundo de ARN y servían como un medio de transferencia horizontal entre las comunidades de replicadores dado a que estas comunidades no podrían sobrevivir si el número de parásitos génicos aumentaba, siendo ciertos genes los responsables de la formación de estas estructuras y los que favorecían la supervivencia de las comunidades autorreplicativas.^[31]​ El desplazamiento de estos genes entre los organismos celulares pudieron favorecer la aparición de nuevos virus durante la evolución. Sin embargo el origen de los virus y satélites todavía es materia de debate y para otros autores los virus pudieron originarse en los protobiontes y no en el mundo de ARN.^[32]​

Hipótesis alternativa

Como se ha mencionado anteriormente, una versión distinta de la misma teoría es la del "mundo de pre-ARN", en la que se propone que un ácido nucleico diferente precedió al ARN. Como alternativa se ha propuesto al ácido nucleico peptídico. El ANP es más estable que el ARN y parece que sería más sencillo de sintetizar en condiciones prebióticas, especialmente porque la síntesis de ribosa y la adición de grupos fosfatos son problemáticas, porque no existían ninguna de las dos. Se ha propuesto el ácido nucleico de treosa como punto de partida, así como el ácido nucleico de glicerol.

Se ha propuesto una alternativa diferente -o complementaria- al ensamblaje de ARN en la Hipótesis del mundo de HAP (Hidrocarburos aromáticos policíclicos).

Implicaciones del mundo de ARN

De ser cierta, la hipótesis del mundo de ARN tendría importantes implicaciones para la misma definición de la vida. Durante la mayor parte del tiempo que siguió al descubrimiento de la estructura del ADN por Watson y Crick, se consideró que la vida se definía en gran medida en términos de ADN y proteínas. El ADN y las proteínas parecían ser las macromoléculas dominantes en las células vivas, de modo que el ARN tenía el único propósito de ayudar a crear proteínas a partir del "plano" establecido en el ADN.

Esta hipótesis del mundo de ARN sitúa al ARN en el papel central en el origen de la vida, lo cual ha promovido numerosos estudios en los últimos diez años que han desvelado importantes aspectos de la función del ARN que previamente se desconocían y demuestran un papel crítico del ARN en la funcionalidad de la vida. En 2001 la hipótesis del mundo de ARN recibió un gran impulso al descifrarse la estructura tridimensional del ribosoma, que revelaba que los lugares catalíticos claves del ribosoma estaban hechos de kARN y que las proteínas no tenían un papel estructural importante y eran de importancia funcional accesoria. Se sabe actualmente que la formación del enlace peptídico, que es la reacción que une los aminoácidos entre sí para formar proteínas está catalizada por un residuo adenina del ARN ribosómico y por tanto el ribosoma es una ribozima. Este descubrimiento sugiere que las moléculas de ARN fueron con toda probabilidad capaces de generar las primeras proteínas. Otros descubrimientos importantes mostraron que el ARN era más que un simple mensajero o adaptador para transferir moléculas, como es en el caso de las riboproteínas nucleares pequeñas (snRNP) en el procesamiento del pre-mARN y la corrección del ARN (ARN editing) y la transcripción del ARN en eucariotas en el mantenimiento de los telómeros y en la reacción de la telomerasa.

Véase también

• LUCA
• Viroide
• Conjunto autocatalítico
• Origen de la vida
• Teoría de la generación espontánea
• Experimento de Miller y Urey
• Teoría del mundo de hierro-sulfuro
• Hipótesis del mundo de HAP
• Panspermia
• Protobionte

Referencias

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2. Eugene Koonin, Valerian V Doljja (2014). A virocentric perspective on the evolution of life. Science Direct.
3. Eugene Koonin (2015). Viruses and mobile elements as drivers of evolutionary transitions. NCBI.
4. Patrick Forterre. The Two Ages of the RNA World, and the Transition to the DNA World: A Story of Viruses and Cells. Science Direct.
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6. Gilbert, Walter (Feb 1986). «The RNA World». Nature (Journal) 319: 618. doi:10.1038/319618a0. 
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27. Viroids: “living fossils” of primordial RNAs? NCBI.
28. Diener TO (1989). «Circular RNAs: Relics of precellular evolution?». Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86 (23): 9370-9374. Bibcode:1989PNAS...86.9370D. PMC 298497. PMID 2480600. doi:10.1073/pnas.86.23.9370. 
29. Mart Krupovic, Valerian V. Dolja, Eugene V. Koonin (2020). The LUCA and its complex virome. Nature.
30. Did DNA Come From Viruses?.
31. Matti Jalasvuori, Sari Mattila, Ville Hoikkala (2015). Chasing the Origin of Viruses: Capsid-Forming Genes as a Life-Saving Preadaptation within a Community of Early Replicators. Plos One. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126094
32. Error en la cita: Etiqueta <ref> no válida; no se ha definido el contenido de las referencias llamadas luca

Bibliografía

• Cairns-Smith, A. G. Genetic Takeover: And the Mineral Origins of Life. ISBN 0-521-23312-7
• Lindahl, T., 1993. "Instability and decay of the primary structure of DNA," Nature 362(6422):709–715.
• Pääbo, S. 1993. "Ancient DNA" Scientific American 269(5):60–66.
• Witzany, G. 2014. "RNA Sociology: Group Behavioral Motifs of RNA Consortia", Life 4:800-818.

Enlaces externos

• por Stuart A. Kauffman, en Nature 382 August 8, 1996
• por Sidney Altman, en la página web de los Premios Nobel
• por Thomas R. Cech, en la página web de los Premios Nobel
• "The Beginnings of Life on Earth" (1995) por Christian de Duve en American Scientist Online
• por Leslie E. Orgel
• por James P. Ferris

•   Datos: Q407525