Hipótesis del mundo del ARN

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El mundo del ARN  es una etapa hipotética en el surgimiento de la vida en la Tierra , cuando conjuntos de moléculas de ácido ribonucleico realizaban tanto la función de almacenar información genética como la de catalizar reacciones químicas . Posteriormente, de sus asociaciones surgió el moderno ADN - ARN - vida proteica , aislado por una membrana del ambiente externo. La idea del mundo del ARN fue expresada por primera vez por Carl Woese en 1968 , luego desarrollada por Leslie Orgel y finalmente formulada por Walter Gilbert en 1986 .

En el siglo XXI, la hipótesis encuentra cada vez más confirmaciones.

Resumen

En los organismos vivos, casi todos los procesos ocurren principalmente debido a enzimas de naturaleza proteica . Sin embargo, las proteínas no pueden autorreplicarse y se sintetizan de novo en la célula en función de la información almacenada en el ADN . Pero la duplicación del ADN ocurre solo debido a la participación de proteínas y ARN. Se forma un círculo vicioso, por lo que, en el marco de la teoría de la generación espontánea de la vida, era necesario reconocer la necesidad no solo de la síntesis abiogénica de ambas clases de moléculas, sino también de la aparición espontánea de un complejo. sistema de su interconexión.

A principios de la década de 1980, se descubrió la capacidad catalítica del ARN en el laboratorio de T. Chek y S. Altman en EE. UU. Por analogía con las enzimas ( inglés  enzima ), los catalizadores de ARN fueron llamados ribozimas , por su descubrimiento Thomas Check fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1989 . Además, resultó que el centro activo de los ribosomas contiene una gran cantidad de ARNr . Los ARN también son capaces de crear una cadena doble y autorreplicarse [1] .

Así, el ARN podría existir de forma totalmente autónoma, catalizando reacciones "metabólicas", por ejemplo, la síntesis de nuevos ribonucleótidos y autorreproduciéndose, conservando las propiedades catalíticas de "generación" en "generación". La acumulación de mutaciones aleatorias condujo a la aparición de ARN que catalizan la síntesis de ciertas proteínas, que son un catalizador más eficiente y, por lo tanto, estas mutaciones se fijaron en el curso de la selección natural. Por otro lado, han surgido repositorios especializados de información genética, el ADN. El ARN se ha conservado entre ellos como intermediario.

El papel del ARN en el mundo moderno

Los rastros del mundo del ARN han permanecido en las células vivas modernas , y el ARN está involucrado en procesos críticos de la vida celular:

  1. El principal portador de energía en las células, el ATP  , es un ribonucleótido , no un desoxirribonucleótido .
  2. La biosíntesis de proteínas se lleva a cabo casi en su totalidad utilizando varios tipos de ARN:
  3. El ARN también es fundamental para la replicación del ADN :
    • se necesita una "semilla" de ARN ( cebador ) para iniciar el proceso de duplicación del ADN ;
    • para la duplicación infinita de ADN, no limitada por el límite de Hayflick , en las células eucariotas , las secciones finales de los cromosomas ( telómeros ) son restauradas constantemente por la enzima telomerasa , que incluye una plantilla de ARN.
  4. Durante la transcripción inversa , la información del ARN se transcribe en ADN.
  5. El proceso de maduración del ARN utiliza una variedad de ARN que no codifican proteínas , incluidos los ARN nucleares pequeños y los ARN nucleolares pequeños .

Además, muchos virus almacenan su material genético en forma de ARN y suministran una ARN polimerasa dependiente de ARN a la célula infectada para su replicación.

Síntesis de ARN abiogénico

La síntesis abiogénica de ARN a partir de compuestos más simples aún no ha sido completamente demostrada experimentalmente. En 1975, Manfred Sumper  y Rudiger Luce en el laboratorio de  Eigen demostraron que en una mezcla que no contiene ARN en absoluto, pero que contiene solo nucleótidos y Qβ-replicasa , bajo ciertas condiciones, un ARN autorreplicante [2] .

En 2009, un grupo de científicos de la Universidad de  Manchester dirigido por John Sutherland logró demostrar la posibilidad de sintetizar uridina y citidina con alta eficiencia y el grado de fijación del resultado de la reacción (así como con la posibilidad de acumular productos finales) bajo las condiciones de la Tierra primitiva [3] [4] . Al mismo tiempo, aunque la síntesis abiogénica de bases purínicas fue demostrada hace mucho tiempo [5] , la síntesis de adenosina y guanosina en las condiciones de la Tierra primitiva fue demostrada sólo en una variante ineficiente [4] .

En 2016, se publicó un estudio que mostraba la posibilidad de sintetizar los 4 ribonucleótidos a partir de formamida [6] .

En 2017, se demostró la posibilidad de autoensamblaje de uridina a partir de ribosa, uracilo y ácido fosfórico [7] .

En 2019, se descubrió ribosa en meteoritos entre azúcares de origen extraterrestre, lo que corrobora la suposición de su disponibilidad en la Tierra antigua. La ruta más probable para la síntesis de dichos azúcares es la reacción de Butlerov . Al mismo tiempo, la desoxirribosa está ausente en los mismos meteoritos , lo que indica una síntesis más probable de ARN que de ADN [8] .

En 2022, se encontró una versión nueva y muy simple de la síntesis abiogénica de cadenas de ARN. Se descubrió que cuando una mezcla de nucleótidos se filtra a través de vidrio volcánico , se forman espontáneamente cadenas de ARN largas (hasta 100-200 unidades). Por lo tanto, los científicos finalmente lograron encontrar una forma bastante simple de transformaciones, comenzando con moléculas orgánicas elementales, que también se encuentran en el espacio, y terminando con cadenas bastante largas de ácidos nucleicos del ARN del mundo, los progenitores de proto-vida capaz de darwiniana. evolución [9] .

La evolución del ARN

La capacidad de evolución de las moléculas de ARN se ha demostrado claramente en una serie de experimentos. Incluso antes del descubrimiento de la actividad catalítica del ARN, Leslie Orgel y sus colegas llevaron a cabo experimentos de este tipo en California. Agregaron bromuro de etidio , un veneno que inhibe la síntesis de ARN, a un tubo de ensayo con ARN. Al principio, el veneno ralentizó la velocidad de síntesis, pero después de unas nueve "generaciones de probeta" de evolución, la selección natural generó una nueva generación de ARN resistente al veneno. Al duplicar sucesivamente las dosis del veneno, se generó una raza de ARN que era resistente a sus concentraciones muy altas. En total, 100 generaciones de tubos de ensayo cambiaron en el experimento (y muchas más generaciones de ARN, ya que las generaciones cambiaron dentro de cada tubo de ensayo). Aunque en este experimento los propios experimentadores agregaron ARN replicasa a la solución, Orgel descubrió que los ARN también eran capaces de autocopiarse espontáneamente sin la adición de una enzima, aunque mucho más lentamente.

Posteriormente se llevó a cabo un experimento adicional en el laboratorio de la escuela alemana de Manfred Eigen. Descubrió la generación espontánea de una molécula de ARN en un tubo de ensayo con un sustrato y ARN replicasa. Fue creado por una evolución gradualmente creciente. [diez]

Después del descubrimiento de la actividad catalítica de los ARN (ribozimas), Brian Pegel y Gerald Joyce del Scripps Research Institute en California observaron su evolución en un dispositivo automatizado controlado por computadora en experimentos en 2008. El factor que desempeñaba el papel de la presión de selección era el sustrato limitado, que incluía oligonucleótidos que la ribozima reconocía y se unía a sí misma, y ​​nucleótidos para la síntesis de ARN y ADN. Al construir copias, a veces había defectos, mutaciones, que afectaban su actividad catalítica (para acelerar el proceso, la mezcla se mutó varias veces usando una reacción en cadena de polimerasa usando polimerasas "inexactas"). Las moléculas se seleccionaron sobre esta base: las moléculas copiadas más rápidamente comenzaron a dominar rápidamente en el medio. Luego se eliminó el 90% de la mezcla, y en su lugar se agregó una mezcla fresca con sustrato y enzimas, y se repitió el ciclo nuevamente. Durante 3 días, la actividad catalítica de las moléculas aumentó 90 veces debido a solo 11 mutaciones. [11] [12]

Estos experimentos prueban que las primeras moléculas de ARN no necesitaban tener propiedades catalíticas suficientemente buenas. Se desarrollaron más tarde en el curso de la evolución bajo la influencia de la selección natural.

En 2009, los bioquímicos canadienses de la Universidad de Montreal K. Bokov y S. Steinberg, después de haber estudiado el componente principal del ribosoma de la bacteria Escherichia coli , la molécula 23S-rRNA, demostraron cómo el mecanismo de síntesis de proteínas podría desarrollarse a partir de cantidades relativamente pequeñas. y ribozimas simples . La molécula se subdividió en 60 bloques estructurales relativamente independientes, el principal de los cuales es el centro catalítico (centro peptidil transferasa, PTC, centro peptidil transferasa), responsable de la transpeptidación (formación de un enlace peptídico ). Se demostró que todos estos bloques se pueden separar secuencialmente de la molécula sin destruir su parte restante hasta que solo quede un centro de transpeptidación. Sin embargo, conserva la capacidad de catalizar la transpeptidación. Si cada enlace entre los bloques de la molécula se representa como una flecha dirigida desde el bloque que no se destruye tras la separación hasta el bloque que se destruye, entonces tales flechas no forman un único anillo cerrado. Si la dirección de las conexiones fuera aleatoria, la probabilidad de que esto suceda sería de menos de uno en mil millones. Por lo tanto, esta naturaleza de los enlaces refleja la secuencia de adición gradual de bloques en el proceso de evolución de la molécula, que los investigadores pudieron reconstruir en detalle. Así, una ribozima relativamente simple, el centro PTC de la molécula 23S-rRNA, podría estar en el origen de la vida, a la que luego se le añadieron nuevos bloques, mejorando el proceso de síntesis de proteínas. El propio PTC consta de dos lóbulos simétricos, cada uno de los cuales contiene la cola CCA' de una molécula de ARNt . Se supone que tal estructura surgió como resultado de la duplicación (duplicación) de una hoja original. Por evolución artificial se han obtenido ARN funcionales ( ribozimas ) capaces de catalizar la transpeptidación. La estructura de estas ribozimas derivadas artificialmente es muy parecida a la estructura del protoribosoma que "calcularon" los autores. [13] [14]

Propiedades de los objetos del mundo de ARN

Hay varias suposiciones sobre cómo se veían los sistemas de ARN autorreplicantes. La necesidad de membranas de agregación de ARN o la colocación de ARN en la superficie de los minerales y en el espacio poroso de las rocas sueltas se postula con mayor frecuencia. En la década de 1990, A. B. Chetverin y colaboradores demostraron la capacidad del ARN para formar colonias moleculares en geles y sustratos sólidos cuando crea condiciones para la replicación. Hubo un intercambio libre de moléculas, que podrían intercambiar áreas durante una colisión, lo que se demostró experimentalmente. Todo el conjunto de colonias en relación con esto evolucionó rápidamente [15] .

Después de la aparición de la síntesis de proteínas, las colonias que podían crear enzimas se desarrollaron con más éxito. Aún más exitosas fueron las colonias, que formaron un mecanismo más confiable para almacenar información en el ADN y, finalmente, se separaron del mundo exterior por una membrana lipídica que impedía la dispersión de sus moléculas.

Dificultades

Los modelos prebióticos que crean nucleótidos son incompatibles con las condiciones necesarias para crear azúcares (debido a la alta concentración de formaldehído ). Por lo tanto, deben sintetizarse en diferentes lugares y luego transferirse a un solo lugar. Sin embargo, no reaccionan en el agua. Las reacciones anhidras vinculan fácilmente las purinas con los azúcares, pero solo el 8% de ellas conectan el átomo de carbono correcto del azúcar con el átomo de nitrógeno correcto de la base nitrogenada. Las pirimidinas , sin embargo, no reaccionarán con la ribosa, incluso en condiciones anhidras.

Además, los fosfatos necesarios para la síntesis son extremadamente raros en la naturaleza, ya que precipitan fácilmente. Con la introducción de fosfato, este último debe combinarse rápidamente con el grupo hidroxilo correcto del nucleótido.

Para que los nucleótidos formen ARN, ellos mismos deben activarse. Los nucleótidos de purina activados forman pequeñas cadenas en la plantilla de ARN de pirimidina existente, pero este proceso no funciona al revés porque los nucleótidos de pirimidina no se polimerizan tan fácilmente.

Además, toda la ribosa debe ser del mismo tipo de estereoisómero porque cualquier nucleótido de quiralidad incorrecta actúa como un terminador de cadena.

Según los críticos de la hipótesis del mundo del ARN (por ejemplo, A. Caines-Smith), el proceso de construcción de ácidos nucleicos requeriría la sincronización de condiciones y eventos favorables. Además, esta sincronización debe ser lo suficientemente larga en el tiempo (durante millones de años) para crear una cantidad suficiente de sustancias necesarias.

A pesar de esto, en 2009 se sintetizaron dos ribonucleótidos de pirimidina sin la formación de intermedios (ribosa y base nitrogenada), pero se formaron otros intermedios (arabinosa y anhídrido de nucleósido ). En 2016 se demostró que es posible sintetizar los nucleótidos de purina restantes: adenina y guanina y combinarlos con ribosa. Sin embargo, todavía no se ha establecido cómo puede proceder la adición del residuo de fosfato.

Mundos pre-ARN

El bioquímico R. Shapiro critica la hipótesis del mundo del ARN, creyendo que la probabilidad de aparición espontánea de ARN con propiedades catalíticas es muy baja. En lugar de la hipótesis "al principio había ARN", propone la hipótesis "al principio había metabolismo", es decir, la aparición de complejos de reacciones químicas, análogos de los ciclos metabólicos, con la participación de compuestos de bajo peso molecular. ocurriendo dentro de compartimentos  - limitados espacialmente por membranas formadas espontáneamente u otros límites de fase - áreas. Este concepto se aproxima a la hipótesis coacervada de la abiogénesis propuesta por AI Oparin en 1924 [16] .

Otra hipótesis de síntesis de ARN abiogénico, diseñada para resolver el problema de la baja probabilidad estimada de síntesis de ARN, es la hipótesis del mundo de los hidrocarburos poliaromáticos , propuesta en 2004 y que sugiere la síntesis de moléculas de ARN a partir de una pila de anillos poliaromáticos.

De hecho, ambas hipótesis de los "mundos pre-ARN" no rechazan la hipótesis del mundo del ARN, sino que la modifican, postulando la síntesis inicial de macromoléculas de ARN replicantes en compartimentos metabólicos primarios, o en la superficie de asociados, empujando el "mundo del ARN". mundo" a la segunda etapa de la abiogénesis .

El académico de la Academia Rusa de Ciencias A. S. Spirin cree que el mundo de ARN no podría haber aparecido y existido en la Tierra, y considera la opción de un origen y evolución extraterrestre (principalmente en cometas) del mundo de ARN [17] .

Véase también

Notas

  1. ↑ Johnston, W. Polimerización de ARN catalizada por ARN  : extensión precisa y general del cebador con plantilla de ARN: [ ing. ]  / W. Johnston, P. Unrau, M. Lawrence … [ et al. ] // Ciencia : j. - 2001. - vol. 292, núm. 5520. - Pág. 1319-1325. -doi : 10.1126 / ciencia.1060786 . — PMID 11358999 .
  2. ↑ Sumper, M. Evidencia de la producción de novo de estructuras de ARN autorreplicantes y adaptadas al medio ambiente por el bacteriófago Qβ replicasa  : [ ing. ]  / M. Sumper, R. Luce // Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. - 1975. - vol. 72, núm. Enero 1). - Pág. 162-166. -doi : 10.1073/ pnas.72.1.162 . —PMID 1054493 . _ — PMC 432262 .
  3. ↑ Powner, MW Síntesis de ribonucleótidos de pirimidina activados en condiciones plausibles prebióticamente: [ ing. ]  / MW Powner, B. Gerland, JD Sutherland // Naturaleza. - 2009. - Vol. 459, núm. 7244 (14 de mayo). - Pág. 239-42. -doi : 10.1038/ naturaleza08013 . —PMID 19444213 . _
  4. ↑ 1 2Markov , Alexander. Los químicos han superado el principal obstáculo en el camino hacia la síntesis abiogénica de ARN // Elementos: [sitio web]. - 2009. - 18 de mayo.
  5. ↑ Yuasa, S. Síntesis abiótica de purinas y otros compuestos heterocíclicos por acción de descargas eléctricas: [ ing. ]  / S. Yuasa, D. Flory, B. Basile … [ et al. ] // Revista de Evolución Molecular. - 1984. - vol. 21, núm. 1.- Pág. 76-80. — ISSN 0022-2844 . -doi : 10.1007/ bf02100630 . —PMID 6442361 . _
  6. ↑ Šponer, Judit E. Aparición de los primeros oligonucleótidos catalíticos en un escenario de origen basado en formamida: [ ing. ]  / Judit E. Šponer, Jiří Šponer, Olga Nováková … [ et al. ] // Química : J. - 2016. - Vol. 22, núm. 11.- Pág. 3572-3586. -doi : 10.1002/ chem.201503906 . — PMID 26807661 .
  7. ↑ Nam, I. Producción abiótica de fosfatos de azúcar y ribonucleósido de uridina en microgotas acuosas: [ ing. ]  / I. Nam, J. Lee, HG Nam … [ et al. ] // Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. - 2017. - Vol. 114, núm. 47 (21 de noviembre). - Pág. 12396-12400. -doi : 10.1073/ pnas.1714896114 . — PMID 29078402 . — PMC 5703324 .
  8. ↑ Vlasov, Kirill. El azúcar del meteorito Murchison es de origen extraterrestre  // Elementos. - 2019. - 20 de diciembre. — Fecha de acceso: 21/12/2019.
  9. ↑ Síntesis catalítica de ácido polirribonucleico en cristales de roca prebiótica | Astrobiología . Consultado el 5 de junio de 2022. Archivado desde el original el 5 de junio de 2022.
  10. ↑ Richard Dawkins. Relojero ciego. Capítulo 5 "Poder sobre el pasado y el futuro". . Consultado el 16 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 19 de julio de 2011.
  11. ↑ Elements Science News: Evolución impulsada por computadora . Fecha de acceso: 7 de enero de 2013. Archivado desde el original el 16 de enero de 2013.
  12. ↑ Nota "Evolución por orden" sobre el estudio experimental de la evolución del ARN . Consultado el 15 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 24 de abril de 2013.
  13. ↑ Elements - noticias científicas: ¿Se ha resuelto el misterio del origen de los ribosomas? . Consultado el 15 de noviembre de 2012. Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2012.
  14. ↑ Markov, AV Ch. 1. El origen de la vida  // El nacimiento de la complejidad: La biología evolutiva hoy: descubrimientos inesperados y nuevas preguntas. — M  .: Astrel: CORPUS, 2010. — S. 60. — 248 p. - (Elementos). - ISBN 978-5-17-084031-1 .
  15. ↑ Chetverina HV, Chetverin AB Clonación de moléculas de ARN in vitro  // Nucleic Acids Res  . : diario. - 1993. - mayo ( vol. 21 , n. 10 ). - Pág. 2349-2353 . —PMID 7685078 .
  16. ↑ Shapiro R. En los orígenes de la vida // En el mundo de la ciencia (edición rusa de Scientific American ), No. 10, 2007. P. 21-29
  17. ↑ A. S. Spirin ¿Cuándo, dónde y bajo qué condiciones podría surgir y evolucionar el mundo del ARN? Archivado el 5 de septiembre de 2014 en Wayback Machine // Journal of Paleontology. - N° 5. - p.11-19

Literatura

Enlaces

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