Nuevas pistas sobre el origen de la evolución química hacia la vida

Representación esquemática de los agregados y procesos de autocatálisis y catálisis cruzada que constituyen la red de replicación estudiada en el trabajo / BGU, UAM

A través de sistemas sintetizados en el laboratorio, investigadores israelíes (Universidad Ben-Gurion del Néguev, BGU) y de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han estudiado la complejidad que pudo experimentar la química de sistemas en los entornos prebióticos de hace más de 3.800 millones de años. El trabajo, publicado en PNAS, destaca la sinergia entre ácidos nucleicos y péptidos como posible clave en la transición química hacia la vida.

 

UAM / Numerosas pruebas apuntan a que los precursores químicos de ácidos nucleicos y péptidos podrían formarse eficientemente en entornos prebióticos (antes de que se originase la vida). Muchas funciones celulares y virales, incluidas la replicación y la síntesis de proteínas a partir de la información contenida en el material genético, implican una actividad sinérgica entre estos dos tipos de biomoléculas. Sin embargo, hasta ahora los estudios sobre la replicación no enzimática —un mecanismo que impulsa la evolución química temprana— se han centrado principalmente en el análisis de la actividad de ambos tipos moleculares por separado.

En un trabajo reciente, un equipo de científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Universidad Ben-Gurion del Néguev (BGU, Israel) ha demostrado que la interacción sinérgica en quimeras (o híbridos artificiales) de ácidos nucleicos y péptidos permite que se desarrollen distintas funciones celulares, como la replicación y la selección de determinadas secuencias de bases de ADN (las letras con las que se almacena la información en los genes).

“La emergencia y cooperación de tales funciones pudo ser clave en la transición química hacia la vida hace más de 3.800 millones de años”, afirman los autores.

Esas interacciones —destacan los autores— son una pieza clave para explicar la rápida progresión en complejidad que pudo experimentar la química de sistemas en entornos primitivos

“Concretamente, hemos demostrado en sistemas sintetizados en el laboratorio que es posible establecer la selección de una especie frente a otras en redes moleculares formadas por híbridos nucleopeptídicos, a través de mecanismos que recuerdan la evolución biológica”, detalla el coautor Andrés de la Escosura, del departamento de Química Orgánica de la UAM.

“Ese comportamiento ‘evolutivo’ —agrega— es posible gracias a la sinergia entre un análogo de los ácidos nucleicos con dos bases nitrogenadas, que es responsable de la transferencia de información en el proceso de replicación, y una secuencia peptídica sencilla, responsable a su vez de las funciones estructurales características de algunos péptidos y proteínas.”

De este modo, el estudio —publicados en la revista PNAS— pone de relieve el efecto de dichas interacciones sinérgicas, tanto en la termodinámica de los sistemas híbridos (que dan lugar a la formación de diferentes estructuras supramoleculares), como en la cinética de los procesos de replicación dirigidos por dichas estructuras.

“Esas interacciones —destacan los autores— son una pieza clave para explicar la rápida progresión en complejidad que pudo experimentar la química de sistemas en entornos primitivos, lo que habría facilitado el desarrollo de un amplio repertorio de funciones fundamentales para que la vida emergiera”.

 

Enfoque de sistemas complejos

Los investigadores utilizaron complejos análisis cinéticos (de velocidades de reacción), monitorizados mediante cromatografía de alta eficiencia para separar y cuantificar los distintos componentes de la red molecular investigada. Además, investigaron la organización supramolecular de las especies que se replican, es decir, la organización de muchas moléculas de replicadores en forma de estructuras ordenadas a escala nano y micrométrica (agregados fibrilares y esféricos representados en la imagen).

Se trata de un conjunto de estudios que se vienen realizando desde un enfoque de sistemas altamente novedoso en el ámbito de la química

Trabajos anteriores de otros grupos de investigación ya habían confirmado la formación de quimeras de péptidos con ARN o ribozimas (enzimas basadas en el ARN), y la síntesis prebiótica de precursores del ARN catalizada por aminoácidos.

Se trata por tanto de un conjunto de estudios que se vienen realizando desde un enfoque de sistemas altamente novedoso en el ámbito de la química. Mientras que la química tradicionalmente ha seguido un enfoque reduccionista (buscando aislar productos puros y estudiar procesos en equilibrio), estos trabajos están sentando nuevas bases para estudiar redes moleculares complejas.

Referencia bibliográfica:
Bandela, A.K., Wagner, N., Sadihov, H., Morales-Reina, S., Chotera‑Ouda, A., Basu, K., Cohen-Luria, R., de la Escosura, A., Ashkenasy, G. 2021.Primitive selection of the fittest emerging through functional synergy in nucleopeptide networks. Proceedings of the National Academy of Sciences 118 (9) e2015285118; https://doi.org/10.1073/pnas.2015285118

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