Los científicos de Salk revelan ARN capacidades que permiten la evolución darwiniana a escala molecular y acercan a los investigadores a la producción de vida autónoma de ARN en el laboratorio.

Charles Darwin describió la evolución como “descendencia con modificación”. Información genética en forma de ADN Las secuencias se copian y transmiten de una generación a otra. Pero este proceso también debe ser algo flexible, permitiendo que con el tiempo surjan pequeñas variaciones genéticas e introduzcan nuevos rasgos en la población.

¿Pero cómo empezó todo esto? En los orígenes de la vida, mucho antes de las células, las proteínas y el ADN, ¿podría haber ocurrido un tipo similar de evolución en una escala más simple? En la década de 1960, los científicos, incluido Leslie Orgel, compañero de Salk, propusieron que la vida comenzó con el «Mundo de ARN», una era hipotética en la que pequeñas moléculas de ARN fibrosas gobernaron la Tierra primitiva y establecieron la dinámica de la evolución darwiniana.

Las secuencias del tiburón martillo copiadas por la polimerasa de baja fidelidad se alejan de su secuencia de ARN original (arriba) y pierden su función con el tiempo. Los tiburones martillo catalizados por la polimerasa de mayor fidelidad conservan su función y desarrollan secuencias más adaptadas (abajo). Crédito: Instituto Salk

Investigación innovadora sobre el papel del ARN en la evolución temprana

Una nueva investigación del Instituto Salk proporciona ahora nuevos conocimientos sobre los orígenes de la vida y presenta pruebas convincentes que respaldan la hipótesis del mundo del ARN. El estudio, publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) el 4 de marzo de 2024, revela una enzima de ARN que puede hacer copias precisas de otras cadenas de ARN funcionales al tiempo que permite que surjan nuevas variantes de la molécula con el tiempo. Estas notables capacidades sugieren que las primeras formas de evolución pueden haber ocurrido a escala molecular en el ARN.

Los descubrimientos también acercan a los científicos a recrear en el laboratorio la vida basada en el ARN. Al modelar estos entornos prístinos en el laboratorio, los científicos pueden probar directamente hipótesis sobre cómo pudo haber comenzado la vida en la Tierra, o incluso en otros planetas.

«Estamos persiguiendo los albores de la evolución», dice el autor principal y presidente de Salk, Gerald Joyce. “Al revelar estas nuevas capacidades del ARN, estamos descubriendo los orígenes potenciales de la vida misma y cómo moléculas simples podrían haber allanado el camino para la complejidad y diversidad de la vida que vemos hoy”.

Los diagramas de dispersión muestran la evolución de las poblaciones de tiburones martillo a lo largo de varias rondas de evolución. Los martillos copiados por la polimerasa de baja fidelidad (52-2) se alejan de la secuencia de ARN original (contornos blancos) y pierden su función. Los tiburones martillo copiados por la nueva polimerasa de mayor fidelidad (71-89) mantienen su función y con el tiempo emergen nuevas secuencias funcionales. Crédito: Instituto Salk

La funcionalidad única del ARN y la búsqueda de la fidelidad de la replicación

Los científicos pueden utilizar el ADN para rastrear la historia de la evolución desde las plantas y animales modernos hasta los primeros organismos unicelulares. Pero lo que sucedió antes aún no está claro. Las hélices de ADN de doble cadena son excelentes para almacenar información genética. En última instancia, muchos de estos genes codifican proteínas: máquinas moleculares complejas que realizan todo tipo de funciones para mantener vivas las células. Lo que hace que el ARN sea único es que estas moléculas pueden hacer un poco de ambas cosas. Están formados por secuencias de nucleótidos extendidas, similares al ADN, pero también pueden actuar como enzimas para facilitar reacciones, al igual que las proteínas. Entonces, ¿es posible que el ARN haya servido como precursor de la vida tal como la conocemos?

Científicos como Joyce han estado explorando esta idea durante años, con especial atención en las ribozimas de ARN polimerasa: moléculas de ARN que pueden hacer copias de otras cadenas de ARN. Durante la última década, Joyce y su equipo han desarrollado ribozimas de ARN polimerasa en el laboratorio, utilizando una forma de evolución dirigida para producir nuevas versiones capaces de replicar moléculas más grandes. Pero la mayoría tenía un defecto fatal: no eran capaces de copiar secuencias a un nivel suficientemente alto. precisión. A lo largo de muchas generaciones, se introducen tantos errores en la secuencia que las cadenas de ARN resultantes ya no se parecen a la secuencia original y han perdido por completo su función.

Hasta ahora. La última ribozima de ARN polimerasa desarrollada en laboratorio incluye una serie de mutaciones cruciales que le permiten copiar una cadena de ARN con mucha mayor precisión.

De izquierda a derecha: David Horning, Gerald Joyce y Nikolaos Papastavrou. Crédito: Instituto Salk

En estos experimentos, la cadena de ARN que se copia es un “martillo”, una pequeña molécula que rompe en pedazos otras moléculas de ARN. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que la ribozima de ARN polimerasa no solo reproducía con precisión los tiburones martillo funcionales, sino que, con el tiempo, comenzaron a surgir nuevas variaciones de tiburones martillo. Estas nuevas variantes se comportaron de manera similar, pero sus mutaciones las hicieron más fáciles de replicar, lo que aumentó su aptitud evolutiva y las llevó a dominar la población de tiburones martillo del laboratorio.

«Durante mucho tiempo nos hemos preguntado qué tan simple era la vida en sus inicios y cuándo adquirió la capacidad de comenzar a mejorar», dice el primer autor Nikolaos Papastavrou, investigador asociado en el laboratorio de Joyce. “Este estudio sugiere que el comienzo de la evolución podría haber sido muy temprano y muy simple. Algo a nivel de moléculas individuales podría apoyar la evolución darwiniana, y esta puede haber sido la chispa que permitió que la vida se volviera más compleja, pasando de moléculas a células y organismos multicelulares”.

Los hallazgos resaltan la importancia crítica de la fidelidad de la replicación para hacer posible la evolución. La precisión de la copia de la ARN polimerasa debe exceder un umbral crítico para mantener la información hereditaria a lo largo de múltiples generaciones, y este umbral habría aumentado a medida que los ARN en evolución aumentaron en tamaño y complejidad.

El futuro de la investigación del ARN y la vida autónoma

El equipo de Joyce está recreando este proceso en tubos de ensayo de laboratorio, aplicando una presión selectiva cada vez mayor sobre el sistema para producir polimerasas de mejor rendimiento, con el objetivo de algún día producir una ARN polimerasa que pueda replicarse a sí misma. Esto marcaría el comienzo de la vida autónoma del ARN en el laboratorio, lo que, según los investigadores, podría lograrse en la próxima década.

Los científicos también están interesados ​​en qué más podría suceder cuando este mini “Mundo ARN” gane más autonomía.

«Vimos que la presión de selección puede mejorar los ARN con una función existente, pero si dejamos que el sistema evolucione por más tiempo con poblaciones más grandes de moléculas de ARN, ¿podrían inventarse nuevas funciones?» dice el coautor David Horning, científico del laboratorio de Joyce. «Estamos entusiasmados de responder cómo la vida temprana puede aumentar su propia complejidad, utilizando las herramientas desarrolladas aquí en Salk».

Los métodos utilizados en el laboratorio de Joyce también allanan el camino para futuros experimentos que prueben otras ideas sobre los orígenes de la vida, incluidas qué condiciones ambientales podrían haber apoyado mejor la evolución del ARN, tanto en la Tierra como en otros planetas.

Referencia: “Evolución del ARN catalítico catalizada por ARN” por Nikolaos Papastavrou, David P. Horning y Gerald F. Joyce, 4 de marzo de 2024, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2321592121

El trabajo fue apoyado por NASA (80NSSC22K0973) y la Fundación Simons (287624).