Origen y Orígenes

En el número de septiembre, tres autores, James Trefil, Harold Morowitz y Eric Smith presentaban en el artículo titulado “El origen de la vida. Sobre el descenso de electrones en el metabolismo primitivo”, su propuesta para cerrar el problema esencial inherente a las relaciones entre proteínas y ácidos nucleicos, es decir el caso de tener dos huevos, dos gallinas y no saber quien fue el primero; proponían acudir al resultado inevitable y progresivo del funcionamiento de las leyes de la física y de la química en las condiciones de la Tierra primitiva, es decir acudir al ámbito de lo que los autores señalan como “ámbito de la química verosímil”.

Introducían el tema, recordando la hipótesis primaria de la “sopa primordial” de Oparin-Haldane, y las primeras evidencias empíricas acerca de su viabilidad con los experimentos realizados en 1953 por Harold Urey, premio Nobel de Química, y Stanley Miller, uno de sus estudiantes, en los sótanos del Departamento de Química de la Universidad de Chicago: mezclaron componentes supuestamente presentes en la atmósfera paleogeológica y consiguieron sintetizar moléculas orgánicas (aminoácidos) en condiciones naturales y determinadas. A pesar de los posibles errores en la elección de los componentes, la producción de moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas sin intervención de enzimas, sirvió para poner de manifiesto el potencial de la química primordial para producir y diversificar moléculas orgánicas. A partir de 1953, se han venido descubriendo muchas moléculas sencillas en meteoritos, cometas, nubes de gas, es decir en la naturaleza. Estos datos dieron soporte al modelo de la “sopa primordial”, que condujo a considerar que la vida fue resultado de un “accidente congelado”.

Otra alternativa para sortear la paradoja de la doble función de las proteínas como catalizadores (enzimas) y productos planteaba la hipótesis de que los primeros organismos no necesitasen proteínas. El primer paso importante en esta línea de investigación sobre el origen de la vida se produjo en la década de 1980 con la demostración por Tomas Cech y Sydney Altman de que algunas moléculas de ácido ribonucleico (ARN) operaban como catalizadores, de modo análogo a los enzimas (se acuñó el término ribozimas). La hipótesis del accidente congelado se sustituyó por un escenario en el que la formación espontánea de una molécula parecida al ARN, desempeñaría en las etapas preliminares de la vida una doble función: hereditaria y enzimática.

El mundo del ARN

A partir de los trabajos de Cech y Altman, se generó una corriente de opinión entre los científicos de que la vida atravesó una fase temprana en la que dominaba el ARN, escenario basado en un “ARN primordial”, que presenta también en opinión de Trefil y cols, las características de un “accidente congelado”.

Para pasar de la química prebiológica al mundo del ARN hay que dar un salto importante, determinado por la aparición de moléculas con un cierto grado de complejidad como las identificadas por Cech y Altman como catalizadores.

Ésta es la orientación que siguen Alonso Ricardo y Jack W. Szostak en un artículo con el título de nuevo de “El origen de la vida”, aparecido en el número especial dedicado a “Orígenes” de Investigación y Ciencia, noviembre de 2009, págs. 38-46.

Estos autores tratan de resolver el problema de la generación de las primeras entidades con capacidad de reproducirse y evolucionar. Tales entidades portaron probablemente su información genética en alguna molécula semejante al ARN, como pariente cercano al ADN. Una de las principales cuestiones consiste, por lo tanto, en averiguar como surgieron los nucleótidos, a partir de compuestos químicos sencillos. Cada uno de los tres componentes de un nucleótido (base nitrogenada, fosfato y azúcar) pueden originarse de forma espontánea, pero difícilmente se enlazan de modo adecuado. Sin embargo, ciertos experimentos recientes, una ruta descubierta por el equipo de John Sutherland en la Universidad de Manchester, permiten sintetizar correctamente los nucleótidos que contienen las bases nitrogenadas citosina y uracilo; no obstante, la ruta de los nucleótidos que contienen adenina y guanina no se ha podido todavía resolver.

Con la posibilidad de disponer de nucleótidos, la etapa final para la formación de ARN requerirá un proceso de polimerización en el que un azúcar de un nucleótido forma un enlace químico con el fosfato del siguiente, de forma que los nucleótidos se van enlazando entre sí para crear una cadena. Estos enlaces no se forman espontáneamente en agua, sino que necesitan una fuente externa de energía. A finales de la década de 1990, Jim Ferris y sus colaboradores del Instituto Politécnico Rensselaer encontraron que los minerales de arcilla potenciaban el proceso de formación de cadenas de ARN, alargando su tamaño, a partir de la adición de compuestos químicos diversos a una disolución de las versiones químicamente reactivas de los nucleótidos. Este hallazgo reforzó la hipótesis, sostenida por algunos investigadores, que la vida pudo surgir sobre superficies minerales, quizás en fangos ricos en arcilla situados en el fondo de estanques alimentados con aguas termales.

Pero el descubrimiento del modo en que surgieron los polímeros implicados en la genética no resuelve el problema del origen de la vida. Los organismos para estar vivos deben crecer y multiplicarse, en un proceso que incluye la copia del material genético. En ausencia de los enzimas, moléculas proteicas, que desempeñan la catálisis de ese proceso, los polímeros genéticos pueden, si constan de las secuencias de nucleótidos adecuados, plegarse para dar lugar a formas complejas y pueden asimismo catalizar reacciones químicas. Parece plausible por lo tanto que el ARN primordial y el de los primeros organismos fuera capaz de haber dirigido su propia replicación.

Para A. Ricardo y J.W. Szostak, el viaje hace la célula moderna transcurriría, según datos de una serie de experimentos, impulsado por la competencia entre las formas de vida para dar lugar a organismos de creciente complejidad. Un mecanismo secuencial posible sería el que se inicia con las primeras protocélulas formadas por un saco lípido que contiene agua y ARN y que, merced a estímulos externos –ciclos de calor y frío- se reproducirán, adquiriendo nuevas características. Surgirían así los ribozimas (moléculas de ARN plegadas, con capacidad catalítica, análoga a la que poseen los enzimas de naturaleza proteica), que se encargarían de funciones tales como aumentar la velocidad de reproducción y fortalecer la membrana de la protocélula. Estas protocélulas empezarían a reproducirse y otros ribozimas iniciarían el metabolismo, catalizando series de reacciones químicas que facilitarían a las protocélulas el surtirse de los nutrientes del entorno. Las proteínas aparecerían a partir de la traducción de las cadenas de letras de los ARN (“(proto) genes”) en cadenas de proteínas; estas moléculas tomarían el relevo de los ARN catalíticos al ser más eficaces y los sustituirían, asumiendo además una amplia gama de tareas en el interior celular. Otros enzimas empezarían a fabricar ADN, que, gracias a su mayor estabilidad, devendría en la molécula de conservación del patrimonio genético por excelencia. A partir de aquí, organismos parecidos a bacterias modernas se habrían adaptado a vivir en casi todos los lugares de la Tierra, ocupando espacios sin oposición hasta que algunas de ellas empezaran a evolucionar para dar lugar a organismos de mayor complejidad.

La hipótesis de “primero el metabolismo”

Trefil, Morowitz y Smith proponen un escenario bien distinto, gobernado por la termodinámica, en el que un ciclo metabólico reductor, compuesto por entramados sencillos de moléculas pequeñas, pudo sentar las bases de la biosíntesis primordial. Las etapas iniciales no necesitaban ni ADN ni ARN; puede que ni siquiera fuera necesaria la implicación de compartimentos especiales (como las células). Las primeras reacciones podrían haberse desarrollado en los huecos de rocas porosas, llenos de geles orgánicos que se depositaron tal como sugería el modelo de Oparín-Haldane.

Los entramados de rutas sintéticas y con capacidad autocatalítica están bien sustentados empíricamente en la química orgánica, pero estos sistemas se envenenan, se inhiben por acumulación de productos secundarios o por dilución de los reactivos. Para que en este tipo de entramados se produzca selección química, debe existir un sistema autodepurador que elimine las reacciones secundarias y que abra la vía a un conjunto limitado de rutas con capacidad de concentrar reactivo, tal como opera el metabolismo. Este sistema no se ha puesto en evidencia por lo que su investigación es uno de los mayores retos para quienes trabajan sobre la hipótesis de “primero el metabolismo” para el origen de la vida.

Origen de las células

Por otro lado, parece claro que todos los organismos celulares del planeta Tierra derivan de un antepasado común (T. Gabaldón, Investigación y Ciencia, noviembre 2009, págs. 48-52).

Precisamente está conclusión se pudo alcanzar gracias a la genómica comparada, que puso de relieve las semejanzas en las secuencias de ácidos nucleicos de organismos de los tres grandes ámbitos o dominios en que se divide la diversidad de la vida celular: bacterias, arqueas y eucariotas.

La búsqueda del organismo ancestral común sigue una doble vía, que comparte la genómica como instrumento analítico: por un lado, están las investigaciones relacionadas con el análisis genómico de los restos paleobiológicos que se vienen descubriendo y que poseen muestras de ADN con potencial analítico, y, por otro lado, emerge la reconstrucción del proteoma del organismo ancestral, al que se conoce como LUCA, siglas de su nombre en inglés, “last universal common ancestor”. Los datos más valiosos para aproximarse a la reconstrucción de LUCA proceden de los genomas. Hay ya gran cantidad de genomas secuenciados de especies, más de mil, distintas. La reconstrucción del proteoma de LUCA a partir de esos datos requiere identificar los componentes de los genomas actuales que descienden directamente del genoma de LUCA. Para este fin, se comparan los genomas, se agrupan los genomas en familias (grupos de genes con origen común), y se establece la distribución de todas estas familias a lo largo de diferentes especies (distribución filogenética). Posteriormente, se analiza la distribución filogenética para ver si una determinada familia de proteínas es ancestral por medio de modelos probabilísticos.

Entre las proteínas presentes en la reconstrucción del proteoma ancestral se cuenta el repertorio, casi completo, de la maquinaria de trascripción y traducción. Los datos indican que este sistema estaba ya presente en LUCA con un mecanismo de funcionamiento que debió ser similar al de las células modernas.

Entre las capacidades metabólicas, hay algunas rutas como la de la glicólisis y el ciclo de Krebs que se pueden reconstruir casi por completo a partir de las proteínas presentes en el proteoma ancestral reconstruido.

Si importantes son las presencias, no lo son menos las ausencias. Algunas de ellas son de tal calado, como la de la maquinaria para copiar el ADN o como la aparente ausencia de rutas de síntesis de lípidos (los componentes de las membranas celulares) que han planteado numerosas incógnitas.

La reconstrucción del proteoma ancestral de LUCA proporciona sólo una visión parcial, aunque muy interesante, de lo que pudo ser aquel organismo. La reconstrucción más verosímil de Luca, a partir de la información disponible, sugiere un organismo dotado de un sistema de procesamiento de la información genética ya muy complejo, de un metabolismo central casi completo, y de la capacidad de sintetizar por sí mismo numerosos compuestos. Por el contrario, la capacidad de regulación de este organismo ancestral parece muy limitada, quizá porque el ambiente era estable y homogéneo.

Reflexiones sobre la persistencia evolutiva del ribosoma

El alto grado de conservación del ribosoma en todos los organismos (D. Colón Ramos y A. Vila Sanjurjo, Investigación y Ciencia, diciembre 2009, pags 48-57) apunta a que su temprana aparición en el árbol de la vida fue crucial, y refuerza en todo caso los datos señalados anteriormente para el proteoma ancestral. El ribosoma es el orgánulo celular que traduce el código genético en instrucciones funcionales y este proceso ocurre en todos los organismos. Su estructura y su función apenas han variado desde su aparición en la faz de la Tierra, en un periodo que marcó en el proceso evolutivo el final de mundo del ARN y el principio de la célula moderna.

Sin embargo, posee además una notable versatilidad bioquímica que le permite adaptar su función a las circunstancias que deben afrontar los organismos. Su papel en la regulación de la expresión génica es fundamental.

Hipótesis sobre el origen de la vida, las modernas ómicas y su convergencia evolutiva

La publicación de una serie de artículos sobre el origen de la vida desde diferentes perspectivas y dimensiones ha supuesto un excelente broche al año dedicado a honrar al gran naturalista Charles Darwin.

Uno de los datos más interesantes, desde el punto de vista coevolutivo, que surge del análisis de las principales hipótesis que se vienen investigando para explicar el origen de la vida es la convergencia entre esas teorías y las modernas ómicas tanto desde el punto de vista epistémico como en el plano instrumental: las hipótesis que ponen el foco en los polímeros genéticos confluyen con la genómica, mientras que los que ponen el énfasis en el metabolismo confluyen y dan valor a la metabolómica. Por otro lado, la genómica se convierte en instrumento básico para la tarea de reconstruir el proteoma del potencial ancestro común. Por último, el alto grado de conservación del ribosoma y su relevante papel en la regulación de la expresión génica conecta y refuerza el significado de la transcriptómica.

El papel predominante de la genómica en esta aventura evolutiva es una lógica consecuencia de dos circunstancias: en primer lugar, su carácter pionero, se trata de una tecnología casi primordial; en segundo lugar, su gran potencial en la identificación y en el análisis de secuencias en atención a la estabilidad del ADN, la molécula objetivo de sus aplicaciones.