Mundo de ARN

La hipótesis del mundo del ARN sugiere que la vida en la Tierra comenzó con una simple molécula de ARN que pudo copiarse a sí misma sin ayuda de otras moléculas.

El ADN, el ARN y las proteínas son esenciales para la vida en la Tierra. El ADN almacena las instrucciones para la construcción de los seres vivos, desde las bacterias hasta el abejorro. Las proteínas a su vez llevan a cabo las reacciones químicas necesarias para mantener las células vivas y sanas. Hasta hace poco, se pensaba que el ARN era solo un mensajero entre el ADN y las proteínas, y que únicamente llevaba las instrucciones como ARN mensajero (ARNm) para construir proteínas. Sin embargo, el ARN puede hacer mucho más. Puede llevar a cabo reacciones químicas, como las proteínas, y llevar información genética, como el ADN. Y como el ARN puede hacer ambos trabajos, la mayoría de los científicos piensa que la vida, como la conocemos, comenzó en un mundo de ARN, sin proteínas ni ADN.

¿Cómo evolucionó el ARN en la Tierra? Los científicos creen que los bloques de construcción del ARN (nucleótidos) surgieron en una sopa caótica de moléculas en la Tierra primitiva. Estos nucleótidos formaron enlaces entre ellos para hacer los primeros ARN. Tan pronto como se formaban, se rompían; sin embargo, ARN nuevos se formaban en su lugar. Algunos ARN resultaron ser más estables que otros. Estas cadenas de ARN se hicieron más largas y unían nucleótidos más rápido. Con el tiempo, las cadenas de ARN crecieron más rápido de lo que se rompían. Esto fue la oportunidad que tuvo el ARN para iniciar vida.

Todos los seres vivos se reproducen. Copian su información genética y la transmiten a su descendencia. Y para que los ARN pudieran comenzar la vida, debían reproducirse también. Por esta razón, los científicos piensan que el mundo de ARN se inició cuando un ARN pudo hacer copias de sí mismo. A medida que lo hacía, surgieron nuevos ARN que se copiaban a sí mismos. Algunos eran mejores en copiarse a sí mismos que otros. Los ARN compitieron entre sí y el más exitoso ganó. Durante millones de años, estos ARN se multiplicaron y evolucionaron para crear una variedad de máquinas de ARN. En algún momento, el ADN y las proteínas evolucionaron. Las proteínas comenzaron a llevar a cabo reacciones químicas en las células y el ADN —que es más estable que el ARN— se dedicó a almacenar la información genética.

Disponer de suficientes bloques de construcción de ARN (nucleótidos) habría sido una prioridad en el mundo del ARN. Los científicos creen que los ARN constructores de nucleótidos evolucionaron en la Tierra primitiva para suministrar nucleótidos para construir nuevos ARN.

Según la teoría del mundo de ARN, los primeros ARN se formaron usando nucleótidos flotantes que surgieron de una sopa primordial de moléculas. Se unieron entre sí para hacer cadenas de ARN que no eran muy estables y que se degradaban muy rápido. Pero algunos eran más estables que otros; estos ARN se hicieron más largos y unían nucleótidos más rápido. Finalmente, las cadenas de ARN crecieron más rápido de lo que se rompían, y así se abrió paso el ARN. Durante millones de años, estos ARN se multiplicaron y evolucionaron para crear una variedad de máquinas de ARN que son la base de la vida como la conocemos hoy. Pero para que las moléculas de ARN se arraigaran, necesitaban una fuente abundante de nucleótidos. Los científicos piensan que los ARN constructores de nucléotidos evolucionaron para proveer estos bloques de construcción de ARN.

Los científicos que intentan volver a crear las condiciones de la Tierra primitiva en un tubo de ensayo, han logrado obtener máquinas de ARN que pueden llevar a cabo reacciones químicas para hacer algunas partes de un nucleótido. Esto demuestra que el ARN puede realizar reacciones químicas que construyen nucleótidos. Pero los investigadores todavía no han creado una máquina de ARN que pueda generar nucleótidos enteros a partir de ingredientes que estarían disponibles en la Tierra primitiva.

En un mundo de ARN, los científicos piensan que ARN simples atraparon otros ARN u otras moléculas para formar complejos que podían cambiar o mejorar, su función. Este fue un paso hacia la vida más compleja.

Los ribosomas, que son máquinas de ensamblaje de proteínas de la célula, están hechos de proteínas y ARN ribosomal (ARNr). Pero los ARNr en un ribosoma evolucionaron mucho antes que las proteínas ribosomales. En el mundo de ARN, es posible que un ARN pudo capturar a otro ARN para crear un máquina de ARN que —por primera vez— unió aminoácidos entre sí para formar una proteína. Así habría surgido la primera versión de un ribosoma.

Algunos ARN mensajeros (ARNm) en bacterias y algunas plantas contienen una sección de código llamada riboswitch que puede pegarse a una molécula específica. La unión de esta molécula controla si el ARNm se traduce para hacer una proteína. La molécula podría ser un nutriente que se une al riboswitch de un ARNm y desencadena la traducción del ARNm que hace que se degrade este nutriente. Así, los ARNm que contienen riboswitches pueden regularse ellos mismos en respuesta a moléculas específicas. En el pasado se pensaba que solo las proteínas regulaban la producción de proteína a partir de ARNm, sin embargo, los riboswitches dan indicios de un sistema de regulación que pudo haber existido en un mundo de ARN mucho antes de que las proteínas existieran.

Nuestras células contienen una maquina hecha de ARN y proteínas que dirige proteínas. Envía las proteínas recién formadas a los lugares donde son necesarias para la célula. Esta máquina se llama la partícula de reconocimiento de señal (SRP por sus siglas en inglés).

La SRP está en la búsqueda de proteínas que se forman en la máquina de ensamblaje de proteína de la célula (ribosoma). Cuando detecta el principio de una proteína que se asoma fuera del ribosoma, se le pega. El ribosoma detiene la producción de proteínas mientras que la SRP trae al ribosoma y su proteína parcialmente construida a donde esta se necesite en la célula. A su llegada, la SRP se libera y la síntesis de proteínas se inicia otra vez.

El ARN en la SRP se encuentra en todos los seres vivos, lo que sugiere que evolucionó en formas de vida muy tempranas. Cuando las proteínas surgieron por primera vez en la Tierra, una versión temprana de este ARN que dirige proteínas podría haber ayudado a organizar las proteínas en una célula. Podría haber mejorado las células primordiales al dirigir las proteínas para que formaran un citoesqueleto. Un citoesqueleto ayuda a que la célula mantenga su forma y es como un sistema de carreteras para el transporte de moléculas en su interior.

Un ARN mensajero (ARNm) se puede combinar de diferentes maneras para que su código genético pueda ser traducido en muchas proteínas diferentes. La capacidad para formar más de una proteína a partir de un ARNm aceleró la evolución de la vida multicelular.

El ARNm recién formado se corta y empalma con una máquina molecular llamada el espliceosoma que es como las tijeras y el pegamento de la célula. Hecha de ARN y proteínas, esta máquina corta secciones no deseados del código del ARNm y vuelve a pegar el ARNm para crear el ARNm maduro que puede ser traducido para hacer una proteína.

En la década de 1970, los científicos pensaban que un gen codificaba para un ARNm, que a su vez codificaba una sola proteína. Esto es cierto en las bacterias y otros seres unicelulares; sin embargo, para la vida multicelular, un gen codifica para un ARNm que puede cortarse de maneras diferentes para crear muchas proteínas distintas. Esto se denomina splicing alternativo.

El splicing alternativo es una forma ingeniosa de crear una amplia gama de proteínas a partir de un número relativamente pequeño de genes. Una de las sorpresas del Proyecto Genoma Humano fue que el genoma humano codifica muy pocos genes. Los científicos predijeron que habría alrededor de 100,000 genes humanos, pero el número está más cercano a 20,000. Estos genes se empalman en maneras diferentes para crear un gran número de proteínas humanas.

La llegada del splicing alternativo en las formas de vida multicelulares probablemente aceleró la evolución. Significaba que un organismo podía crear nuevas proteínas sin pasar por el largo proceso de evolucionar genes nuevos. Habrían aparecido mutaciones al azar que causaron que ARNm existentes fueran empalmados de maneras diferentes. Estos ARNm que fueron empalmados alternativamente codificaron para nuevas proteínas que pudieron llevar a cabo procesos celulares nuevos, e implusar la evolución de vida compleja.

Máquinas de ARN fueron probablemente fundamentales para el salto evolutivo de formas unicelulares de vida a formas multicelulares.

La vida multicelular comienza con un solo óvulo fecundado. Esta célula se divide en dos células, las cuales se dividen otra vez … y así sucesivamente. Pronto, las células en esta forma de vida en desarrollo comienzan a realizar diferentes trabajos. En una planta, podrían convertirse en células de la hoja o la raíz. En un animal, podrían llegar a ser células sanguíneas o células nerviosas. Hay alrededor de 200 tipos diferentes de células en un humano, y es esencial que cada una sea hecha en el lugar y tiempo correctos en un embrión humano. En qué se convierte en una célula está determinado por el tipo de maquinas moleculares —ARN y proteínas — que están operando en esa célula. Y esos ARN y proteínas que están presentes en una célula están determinados por los factores de transcripción que encienden/apagan los genes.

Obtenemos pistas sobre las máquinas moleculares que podrían haber impulsado el salto a la vida multicelular al estudiar cómo los embriones se desarrollan en organismos actualmente. Un animal favorito para los biólogos del desarrollo es la mosca de la fruta. Un ARN importante en el desarrollo de la mosca de la fruta se llama bicoide. Juega un papel fundamental en la organización del plan del cuerpo de una mosca de la fruta en desarrollo. En un huevo no fecundado de la mosca de la fruta, el ARN bicoide se encuentra en el extremo del huevo que se convertirá en la cabeza de la mosca. Una vez fecundado el óvulo, el ARNm bicoide se traduce para hacer una proteína. La proteína bicoide enciende los genes que hacen las proteínas que forman la cabeza y apaga los genes que hacen las proteínas que forman la cola. Por lo tanto, el bicoide le dice a los embriones de la mosca de la fruta exactamente dónde hacer la cabeza.