Los investigadores han descubierto un escenario evolutivo plausible en el que los ácidos nucleicos (los componentes genéticos fundamentales de la vida) podrían permitir su propia replicación, lo que posiblemente conduciría a la vida en la Tierra.
por eLife
El estudio, publicado hoy como preimpresión revisada en eLife , fue descrito por los editores como un trabajo importante con evidencia convincente para demostrar cómo un entorno geofísico simple de flujo de gas sobre un canal angosto de agua puede crear un entorno físico que conduce a la replicación de ácidos nucleicos . El trabajo será de interés para los científicos que trabajan en el origen de la vida y, de manera más amplia, en ácidos nucleicos y aplicaciones diagnósticas.
El surgimiento de la vida en la Tierra sigue siendo un enigma sin resolver, pero una teoría común sostiene que la replicación del material genético (los ácidos nucleicos ADN y ARN) fue un proceso central y crítico. Las moléculas de ARN pueden almacenar información genética y catalizar su propia replicación mediante la formación de hélices de doble cadena. La combinación de estas capacidades les permite mutar, evolucionar y adaptarse a diversos entornos y, en última instancia, codificar los componentes proteínicos básicos de la vida.
Para que esto suceda, las cadenas de ARN no solo deben replicarse en una forma bicatenaria, sino también separarse nuevamente para completar el ciclo de replicación. Sin embargo, la separación de las cadenas es una tarea difícil debido a las altas concentraciones de sal y ácido nucleico que se requieren para la replicación.
«Se han estudiado varios mecanismos por su potencial para separar cadenas de ADN en el origen de la vida, pero todos ellos requieren cambios de temperatura que llevarían a la degradación de los ácidos nucleicos», dice el autor principal Philipp Schwintek, estudiante de doctorado en Biofísica de Sistemas en la Ludwig-Maximilians-Universität München, Múnich, Alemania.
«Investigamos un escenario geológico simple y ubicuo en el que el movimiento del agua a través de un poro de la roca se secaba mediante un gas que se filtraba a través de la roca para alcanzar la superficie. Este escenario sería muy común en las islas volcánicas de la Tierra primitiva, que ofrecían las condiciones secas necesarias para la síntesis de ARN».
El equipo construyó un modelo de laboratorio del poro de la roca que muestra un flujo ascendente de agua que se evapora en una intersección con un flujo perpendicular de gas, lo que conduce a una acumulación de moléculas de gas disuelto en la superficie. Al mismo tiempo, el flujo de gas induce corrientes circulares en el agua, lo que obliga a las moléculas a regresar a la masa. Para comprender cómo afectaría este modelo a los ácidos nucleicos dentro del entorno, utilizaron perlas para monitorear la dinámica del flujo de agua y luego rastrearon el movimiento de fragmentos cortos de ADN marcados con fluorescencia.
«Nuestra expectativa era que la evaporación continua llevaría a una acumulación de cadenas de ADN en la interfaz», dice Schwintek. «De hecho, descubrimos que el agua se evaporaba continuamente en la interfaz, pero los ácidos nucleicos en la superficie acuosa se acumulaban cerca de la interfaz gas/agua». A los cinco minutos de comenzar el experimento, se había triplicado la acumulación de cadenas de ADN, mientras que después de una hora, se habían acumulado 30 veces más cadenas de ADN en la interfaz.
Aunque esto sugiere que la interfase gas/agua permite una concentración suficiente de ácidos nucleicos para que se produzca la replicación, también es necesaria la separación de las cadenas dobles de ADN. Por lo general, se requiere un cambio de temperatura, pero cuando la temperatura es constante, son necesarios cambios en la concentración de sal .
«Planteamos la hipótesis de que el flujo de fluido circular en la interfaz proporcionado por el flujo de gas, junto con la difusión pasiva, impulsaría la separación de las cadenas al forzar los ácidos nucleicos a atravesar áreas con diferentes concentraciones de sal», explica el autor principal Dieter Braun, profesor de Biofísica de Sistemas en la Ludwig-Maximilians-Universität München.
Para comprobarlo, utilizaron un método llamado espectroscopia FRET para medir la separación de las cadenas de ADN: una señal FRET alta indica que las cadenas de ADN siguen unidas, mientras que una FRET baja indica que las cadenas están separadas. Como se esperaba, la señal FRET aumentó inicialmente cerca de la interfaz gas-agua, lo que indica la formación de ADN de doble cadena. Pero a lo largo del experimento, donde había un flujo ascendente de agua, la señal FRET fue baja, lo que indica ADN de cadena sencilla.
Es más, cuando el equipo superpuso estos datos con su simulación del flujo de agua y las concentraciones de sal, descubrieron que el vórtice en la interfaz gas-agua causaba cambios de hasta tres veces el aumento en las concentraciones de sal, potencialmente capaces de impulsar la separación de las hebras.
Aunque los ácidos nucleicos y las sales se acumulaban cerca de la interfaz gas-agua, en la mayor parte del agua las concentraciones de sal y ácidos nucleicos se mantenían extremadamente bajas. Esto impulsó al equipo a probar si la replicación de ácidos nucleicos realmente podía ocurrir en este entorno, añadiendo ácidos nucleicos marcados con un tinte fluorescente y una enzima que puede sintetizar ADN de doble cadena en el modelo de laboratorio del poro de la roca. A diferencia de las reacciones normales de síntesis de ADN en el laboratorio, la temperatura se mantuvo a una temperatura constante y la reacción se expuso en cambio a la entrada combinada de agua y gas.
Después de dos horas, la señal fluorescente había aumentado, lo que indicaba un mayor número de moléculas de ADN bicatenario replicadas. Sin embargo, cuando se interrumpió la entrada de gas y agua, no se observó ningún aumento en las señales de fluorescencia y, por lo tanto, no se observó ningún aumento en el ADN bicatenario.
«En este trabajo investigamos un entorno geológico plausible y abundante que podría desencadenar la replicación de la vida primitiva», concluye Braun. «Consideramos un entorno de gas fluyendo sobre un poro abierto de roca lleno de agua, sin ningún cambio de temperatura, y descubrimos que el flujo combinado de gas y agua puede desencadenar fluctuaciones de sal que favorecen la replicación del ADN.
«Dado que se trata de una geometría muy simple, nuestros hallazgos amplían enormemente el repertorio de entornos potenciales que podrían permitir la replicación en los primeros planetas».
Más información: Philipp Schwintek et al., Prebiotic gas flow environment enables isothermal nucleic acid replication, eLife (2024). DOI: 10.7554/eLife.100152.1
