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Sobre la universalidad de las biomoléculas
Alberto González Fairén

Dos estudios recientes sugieren que las proteínas biológicas deben ser universales, mientras que los ácidos nucleicos podrían no serlo.
unque tenemos ya una estimación bastante aproximada del momento en el que la vida surgió sobre nuestro planeta, todavía afrontamos un gran número de incógnitas acerca del cómo, el proceso de biogénesis en la Tierra primitiva. Entre ellas, dos de las que más se resisten a encontrar una respuesta definitiva se refieren al origen de los ladrillos que forman la estructura física de todos los seres vivos (los aminoácidos formadores de proteínas) y al origen de las moléculas que codifican la información biológica (los ácidos nucleicos).

El proceso por el cual los aminoácidos se reunieron por primera vez para formar péptidos (conjuntos de dos o más aminoácidos), y finalmente formar las primeras proteínas (Figura 1), es una de las cuestiones más intrigantes. ¿Por qué todos los seres vivos de nuestro planeta forman proteínas usando exclusivamente una selección de 20 aminoácidos? Esta selectividad ha sido siempre un misterio, ya que hay muchos más aminoácidos en la naturaleza. De hecho, se han recuperado meteoritos que contenían más de 80 aminoácidos distintos en su interior. Por lo tanto, en la Tierra primitiva debía haber una gran variedad de aminoácidos a disposición de los primeros procesos de biogénesis, se estima que cerca de 500. ¿Por qué la vida seleccionó solo 20 de ellos? ¿Tienen algo especial estos 20, o representan simplemente una elección azarosa que se ha fijado en la evolución biológica?
Estructura de las proteínas
Figura 1: Estructura de las proteínas.
(periodicosalud.com)
Contamos con diversas teorías para explicar el origen de las proteínas biológicas a partir de solo 20 aminoácidos, pero el soporte experimental para avalar estas teorías ha sido escaso hasta ahora. El equipo de Moran Frenkel-Pinter, del Instituto Tecnológico de Georgia, publicó en julio del año pasado sus conclusiones acerca del proceso por el cual las moléculas predecesoras de las actuales proteínas pudieron unirse espontáneamente para formar las primeras cadenas estructurales de los seres vivos.

En su estudio, el grupo de Frenkel-Pinter combinó una pequeña selección de aminoácidos formadores de proteínas biológicas (lisina, arginina e histidina) con otro grupo de tres aminoácidos que no forman proteínas biológicas. El conjunto fue sometido a condiciones similares a las de la superficie de la Tierra primitiva durante el Hádico: agua, ácidos y altas temperaturas de hasta 85 grados centígrados para acelerar las reacciones, ya que los procesos de evaporación y desecación son conocidos catalizadores de la formación de péptidos. Son condiciones similares a las de los entornos hidrotermales en los que se asume que se originó la vida sobre la Tierra.

El estudio demostró que la dependencia de los seres vivos de los aminoácidos biológicos no es azarosa. Aunque en principio se esperaba que los 6 aminoácidos interaccionaran todos con todos, formando distintas cadenas e incluso creando nuevas proteínas, en realidad la formación de péptidos cargados positivamente a partir del grupo lisina-arginina-histidina fue inmediata, demostrando que reaccionan químicamente entre ellos de forma preferente, más competente, y con menos reacciones secundarias ineficientes. Además, el grupo lisina-arginina-histidina sintetizaba péptidos sin necesidad de la colaboración de enzimas o agentes activadores. Y la topología de los polímeros generados era lineal, lo que les confería la facultad de plegarse para formar proteínas.

Por lo tanto, la selección de los 20 aminoácidos que forman proteínas biológicas obedece a criterios puramente de reactividad química elemental. Tal vez esto pueda significar que los patrones de selección prebiológica en los aminoácidos son similares en otros planetas terrestres, y que reacciones químicas similares pueden ser habituales en otras formas de vida en el universo.

La otra gran pregunta mencionada al principio de este artículo se refiere al origen de las moléculas que codifican la herencia biológica: los ácidos nucleicos ADN y ARN (Figura 2). A partir de la información que codifican estas moléculas, los organismos vivos son capaces de fabricar proteínas. Pero, ¿son estas moléculas, tal y como las conocemos en la Tierra, las únicas posibles o incluso las mejores portadoras de la información hereditaria?

De hecho, muchos investigadores sostienen que, aunque es muy estable, el ADN es una estructura demasiado compleja; además, es incapaz de producir proteínas por sí solo, ya que necesita el paso previo de transmitir la información al ARN. Por eso se ha planteado que la primera molécula portadora de información fuera el ARN. Pero el ARN ya es en sí muy complejo, además de inestable. Por lo tanto, es posible que las primeras moléculas portadoras de información hereditaria fueran aún más sencillas que el ARN.

Un grupo liderado por James Cleaves, del Earth-Life Science Institute de Tokyo, publicó en noviembre del año pasado los resultados de sus investigaciones acerca de posibles análogos de los ácidos nucleicos. Usando simulaciones y modelos computerizados, basados en generar todas las moléculas posibles que cumplen una serie de criterios definidos, encontraron que pueden existir millones de variantes del ADN y el ARN capaces de codificar información. Muchas de ellas serían además moléculas notablemente más sencillas. El siguiente paso sugerido por los investigadores, por lo tanto, es empezar a sintetizar estas moléculas y analizar en laboratorio sus posibles implicaciones en las primeras etapas de la biogénesis en la Tierra. Moléculas alternativas podrían ocupar el lugar de nuestros ADN y ARN en formas de vida fuera de la Tierra, que hubieran sido seleccionadas en respuesta a los condicionantes ambientales locales.
Estructura de los ácidos nucleicos
Figura 2: Estructura de los ácidos nucleicos.
(commons.wikimedia.org) Click para ampliar!
 
 
Madrid, España, 06 de Marzo de 2020.
 
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