¿El ATN fue el primer material genético de la vida?

Ácido nucleico más simple tiene la capacidad de transmitir información y adquirir estructuras complejas con funciones químicas sofisticadas.

La información se transmite a través del ADN y se expresa gracias al ARN. Pero, ¿por qué la naturaleza eligió los azúcares de cinco carbonos (las ribofuranosas) y no otros, como el componente central del material genético?

Muchas líneas de investigación apuntan a lo mismo: la evolución temprana de la vida pudo haber estado dominada por el ARN. Esta molécula tiene la capacidad de almacenar y transmitir información, es indispensable para la iniciación de la replicación y la transcripción del ADN (los primers), establece el nexo entre los genes y las proteínas (el ARN mensajero) y adquiere estructuras secundarias (horquillas y bucles) y terciarias (como el ARN ribosomal o el ARN de transferencia) para realizar funciones complejas (catalizar reacciones químicas o regular la expresión genética).

Sin embargo, para entender cómo emergió la vida desde una química prebiótica, se deben explicar los pasos que generaron este “mundo del ARN”. Es por esto que también existe la hipótesis del “mundo del pre-ARN”, el cual postula que el ARN estuvo precedido por un material genético mucho más simple y estable.

En 1999, Albert Eschenmoser hizo un estudio sistemático de todos los ácidos nucleicos alternativos que podían formar el emparejamiento de Watson y Crick (Adenina con Timina y Citosina con Guanina), encontrando que una gran cantidad de ellos eran capaces de almacenar la información genética.

Se pudieron formar ácidos nucleicos de doble cadena con azúcares de tres (glicerol), cuatro (treosa, eritrosa), cinco (xilosa, arabinosa, lixosa) y seis (glucosa, altrosa) carbonos; incluso con péptidos. Esto indica que la replicación es un proceso bastante versátil. Sin embargo, para sostener un metabolismo primitivo, el material genético primordial debía formar estructuras terciarias que le permitieran realizar funciones más sofisticadas, tales como: reconocer moléculas específicas y catalizar reacciones químicas.

Entonces, determinar que ácidos nucleicos alternativos presentan dicha capacidad, ayudaría a entender cómo se originó y evolucionó la vida en la Tierra. Uno de estos candidatos ha generado un considerable interés entre los investigadores dada su simplicidad y su habilidad para formar estructuras helicoidales complementarias estables con el ARN, el ADN, y consigo misma. Se trata del ácido treonucleico (ATN o ácido nucleico de treosa).

El ATN está formado por un azúcar de cuatro carbonos llamado treosa (treofuranosa, para ser precisos). Los grupos fosfato se unen a los carbonos número 3 y 2, así que su sentido de lectura será 3’ –> 2’, a diferencia del ARN y ADN que es 5’ –> 3’.

En el 2003, científicos del Howard Hughes Medical Institute (Boston, EEUU), descubrieron algunas enzimas capaces de sintetizar pequeños segmentos de ATN a partir de un molde de ADN; y en el 2005, desarrollaron una variante de la ADN polimerasa llamada ‘Therminator’ que, bajo condiciones óptimas, podía sintetizar un ATN de 80 nucleótidos con una alta eficiencia y fidelidad. 

Ahora, un grupo de investigadores de la Universidad Estatal de Arizona (EEUU), liderados por el Dr. John Chaput, han sintetizado diferentes moléculas de ATN y han demostrado que ésta puede adquirir formas complejas, con la capacidad de evolucionar y unirse a objetivos arbitrarios con una alta afinidad y especificidad. Los resultados fueron publicados la semana pasada en Nature Chemistry.

Chaput y sus colegas tomaron un grupo de moléculas de ADN llamada biblioteca L1, compuestas por secuencias de 90 nucleótidos (nt): 50nt arbitrarios centrales flanqueados por secuencias constantes de 20nt que serán reconocidas por los iniciadores. El proceso de síntesis del ATN es similar a una PCR (en realidad es una PCR). Cada solución de reacción está compuesta por los moldes de ADN que han de ser copiados (biblioteca L1), la enzima que hará el trabajo (ADN polimerasa Therminator), los iniciadores (primers de 20nt) y los nucleótidos a base de treosa (tTTP, tCTP, tGTP y tDTP*). [*Se usó la Diaminopurina, un análogo de la Adenina, porque aumenta la estabilidad del híbrido ATN-ADN].

Sin embargo, cada vez que procedían a hacer la reacción, ésta se truncaba. Simplemente, no se podía sintetizar el ATN. Los investigadores estaban confundidos. ¿Por qué Therminator podía transcribir secuencias individuales de ADN a ATN eficientemente, pero fallaba cuando el sustrato era cambiado por un grupo de secuencias aleatorias?

Al cambiar cada uno de los nucleótidos de treosa por sus versiones normales (con desoxirribosa)descubrieron que Therminator no podía sintetizar repeticiones de Guanina presentes en el ADN molde. Resulta que el 90% de las secuencias de la biblioteca L1 tenían al menos una repetición GGG o GGGG que truncaba la reacción.

Entonces, para superar este inconveniente, Chaput y sus colegas desarrollaron dos bibliotecas de ADN más: L2 (sin Guaninas) y L3 (baja frecuencia de Guaninas). Esta vez el rendimiento de síntesis de ATN fue de un 60% y 30%, respectivamente. Por primera vez se creaban bibliotecas genéticas de ATN.

Ahora quedaba algo más por hacer. Los investigadores querían ver si estas secuencias de ATN arbitrarias podían evolucionar y formar un aptámero. Los aptámeros son ácidos nucleicos de cadena simple (ADN o ARN), de 70 a 100 nucleótidos de longitud, con la capacidad de reconocer, de manera específica y con alta afinidad, varios tipos de moléculas diana mediante un plegamiento tridimensional de su cadena. En otras palabras, serían unos “anticuerpos” hechos de ácidos nucleicos en vez de aminoácidos.

Para ello usaron una técnica conocida como selección in vitro (evolución molecular en un tubo de ensayo). A partir de la biblioteca de ADN L2 formaron secuencias de ATN, las cuales fueron confrontadas con moléculas de trombina (una proteína humana). Luego, separaron y eliminaron aquellas secuencias que no se unían a la trombina, mientras que las que lograban hacerlo, pasaban a otra ronda de síntesis. De esta manera, cada ciclo de selección enriquecía la solución con secuencias de ATN que reconocen y se unen específicamente a la trombina. Finalmente, confrontaron estas moléculas de ATN seleccionadas con otras proteínas diferentes a la trombina. Ninguna mostró afinidad por ellas.

Si bien estas secuencias de ATN carecen de nucleótidos de Citosina (Citidina), desde el punto de vista evolutivo, es una ventaja: la Citidina tiene un tiempo de vida media de sólo 340 años porque tiende a perder su grupo amino muy fácilmente, y 340 años en el tiempo evolutivo es prácticamente nada. Por otro lado, se ha demostrado que las ribozimas (moléculas de ARN con la capacidad de autoreplicarse) pueden prescindir de la Citidina y, aún así, conservar su estructura terciaria y función.

Todos estos resultados indicarían que las moléculas de ATN adquieren estructuras terciarias que reconocen específicamente determinadas regiones de la superficie de la trombina, demostrando por primera vez la selección in vitro y la evolución molecular de un material genético hecho a base de treosa.

Si bien los resultados no son concluyentes (es muy difícil que lo sean cuando se trata de explicar el origen de la vida), si proveen ciertas evidencias que pudo haber un material genético mucho más simple que el ARN, en las primeras etapas de la evolución de la vida. El ATN demostró ser capaz de almacenar y transmitir información, así como de adquirir estructuras complejas para desarrollar funciones sofisticadas. Un azúcar de cuatro carbonos es más fácil de sintetizar que uno de cinco en una química prebiótica.

---

Referencia:

Yu, H., Zhang, S., & Chaput, J. (2012). Darwinian evolution of an alternative genetic system provides support for TNA as an RNA progenitor Nature Chemistry DOI: 10.1038/nchem.1241

---

Esta entrada participa del IX Carnaval de Biología celebrado en La ciencia de la vida y el XI Carnaval de Química albergado por La aventura de la ciencia.