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Replicadores y metabolismos

¿Cómo se originó la vida en la Tierra? Las dos teorías principales son la del «replicador-primero» y la del «metabolismo-primero». En un reciente estudio, el Dr. Mauro Santos de la UAB argumenta que la evolución darwiniana no pudo haberse iniciado en metabolismos primitivos: «Pueden existir, pero no pueden evolucionar», afirma.

Gerald Joyce, de la NASA, define la vida como un sistema químico auto-sostenible capaz de evolucionar a través de algoritmos darwinianos. El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que permite a un organismo mantener su estructura, adaptarse a su entorno, crecer y reproducirse. Partiendo de aquí, el debate se centra en dos teorías principales para explicar el origen de la vida.

La teoría del «replicador-primero» sugiere que el origen de lo que llamamos «vida» comenzó con grandes moléculas como el ARN o el ADN, capaces de almacenar código genético y replicarlo con alta fidelidad de generación a generación; mientras que la del «metabolismo-primero» afirma que antes de esto, pequeñas moléculas primitivas ya formaban redes de reacciones químicas proto-metabólicas que eventualmente lograron replicarse (dividirse), pasando información hereditaria a sus «descendientes», y evolucionar.

Ambas teorías presentan problemas técnicos difíciles de resolver. Los teóricos del «replicador-primero» necesitan explicar cómo pudieron surgir moléculas tan complejas como las de ARN y ADN antes de que la evolución se manifestase; y los del «metabolismo-primero» deben demostrar que esas redes de reacciones químicas podían ser capaces de transmitir información hereditaria de manera lo suficientemente eficaz como para poder evolucionar.

En un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (EE.UU.), Mauro Santos de la Universidad Autónoma de Barcelona y sus co-autores Vera Vasas y Eörs Szathmáry del Collegium Budapest, Hungría, afirman que las redes de reacciones químicas proto-metabólicas propuestas por los defensores de la teoría del «metabolismo-primero» replican información de manera tan inexacta, que no podrían evolucionar.

«La evolución, tal como la entendemos hoy en día, la darwiniana, no se puede conseguir mediante este tipo de transmisión hereditaria», dijo Santos a Tercera Cultura. «Se tiene que descubrir, tarde o temprano, de alguna forma, moléculas como el ARN o el ADN, o algo parecido. La vida empezó con estos primeros replicadores».

El equipo de Santos analizó estos conjuntos de componentes químicos llamados composomas (genomas compuestos), propuestos por investigadores como el israelí Doron Lancet, para estudiar la supuesta evolución de estas redes moleculares.

Demostraron que aunque podían haber servido como base para la eventual evolución de los verdaderos replicadores, no podían ser consideradas como el origen de la vida tal como la conocemos porque en el proceso de dividirse (propagarse) perdían propiedades e información esenciales.

«Los primeros replicadores fueron moléculas de ARN o ancestros similares, moléculas que tenían la capacidad de llevar información, en este caso en los nucleótidos«, explicó Santos. «La ventaja que tienen estas moléculas es que pueden servir como moldes para replicar otra molécula similar, y es como si llevaran información digital».

Entrevista: Dr. Mauro Santos
Departamento de Genética y Microbiología
Universidad Autónoma de Barcelona

¿Qué son los «replicadores»?

Los primeros replicadores fueron moléculas de ARN o ancestros similares, moléculas que tenían la capacidad de llevar información, en este caso en los nucleótidos. La ventaja que tienen estas moléculas es que pueden servir como moldes para replicar otra molécula similar, y es como si llevaran información digital. La ventaja del ADN o ARN es que la información está guardada en las letras del alfabeto, en las bases nucleotídicas. Esto se puede replicar y hacer tantas copias como se quiera.

Uno de los problemas básicos es que cuando se replica una molécula como el ARN o el ADN, tenemos enzimas que son muy sofisticados, tienen propiedades correctoras, y pueden reconocer que hay un error, repararlo, y entonces la tasa de error es muy baja. Esto es hoy en día. Pero en los replicadores originales no había esta maquinaria enzimática; esto es un resultado de la evolución. Entonces, por medios no-enzimáticos, se estima que la tasa de error, cuando se iba a copiar un mensaje, era muy elevada. Esto impone un límite a la máxima cantidad de información que se puede llevar.

¿Qué aportó el estudio publicado en 2005?

Estas moléculas tienen una determinada estructura que las hace funcionar. Lo que nosotros demostramos es que hay dos tipos de errores. El error a nivel de la secuencia primaria (genético), que es cuando se incorpora una letra incorrecta; y el otro es el error al nivel del fenotipo, que es cómo actúa, o qué consecuencias tiene esa incorporación incorrecta sobre la función de la molécula.

Logramos demostrar que la tasa del error fenotípico en las moléculas de ARN originales era mucho más pequeña, un orden de magnitud más pequeña, de lo que se había supuesto.

¿Qué es la teoría «metabolismo-primero»?

Según la teoría «metabolismo-primero», las primeras entidades vivas que evolucionaron fueron unas redes metabólicas primitivas.

Hoy en día es muy fácil replicar una cadena de ARN o ADN, pero claro, para hacer esto tenemos los enzimas, que es un producto evolutivo. ¿Cómo puedo yo replicar una cadena de ARN si no tengo enzimas en el origen? Este es un problema puramente químico, bastante complicado, que los químicos no han logrado resolver.

Como esto no se ha conseguido, lo que los proponentes del «metabolismo-primero» dicen es que de alguna forma, uno puede suponer que por evolución química se han podido formar unas redes metabólicas, o protometabólicas, que posteriormente sirvieron para co-evolucionar conjuntamente con el ARN o el ADN. Para ellos, primero son las redes metabólicas.

¿Qué problemas plantea la teoría «metabolismo-primero»?

Entre los problemas que tenía esta teoría, primero estaba demostrar que puedes mantener información, porque si la información no se transmite, es muy difícil que evolucione. Investigadores como Doron Lancet, uno de los padres de los composomas, demostraron que estos agregados moleculares, por lo menos en teoría, van incorporando substancias del medio y cuando llegan a un tamaño crítico, por un problema puramente físico, se pueden dividir en dos. Dicen que bajo determinadas condiciones, estos glóbulos podrían traspasar información de padres a hijos. Esto se demostró teóricamente. Esto era una demostración de que por lo menos estas redes protometabólicas sí que eran capaces de transmitir información. Esto puede ser, decían, un primer ejemplo claro de que esta red metabólica había podido seguir evolucionando y que en última instancia habría podido coaptar a moléculas replicantes como el ARN. Para ellos, estas redes podían ser vías evolutivas.

Lo que nosotros demostramos (en el más reciente estudio) es que no: pueden existir, pero no pueden evolucionar. La evolución, tal como la entendemos hoy en día, la darwiniana, no se puede conseguir mediante este tipo de transmisión hereditaria. Se tiene que descubrir, tarde o temprano, de alguna forma, moléculas como el ARN o el ADN, o algo parecido. La vida empezó con estos primeros replicadores.

¿La vida se puede sintetizar?

Varios experimentos (Miller, etc.) demuestran que algunas moléculas básicas para la vida, como las azúcares o los aminoácidos, se pueden sintetizar por medios puramente químicos, es decir: puede haber una evolución química. Uno tiene una serie de compuestos que pueden reaccionar y pueden dar lugar a aminoácidos, etc. Eso es la primera parte. Ahora, el problema es: pongamos que tenemos todos los aminoácidos que necesitamos, todos los nucleótidos que necesitamos… etcétera. ¿Cómo se combina todo esto para dar lugar a algo que llamamos un ser vivo? Cómo se integra un metabolismo en una molécula que porta un mensaje, y que a su vez tiene que definir, o controlar el metabolismo, las moléculas que forman parte del envoltorio, etcétera. Eso es un problema que todavía está por resolver.

Se sabe cuáles son los problemas. Eso es lo bueno. ¿Pero cómo se ensambla todo eso? Existen proyectos en los que se intenta sintetizar vida desde lo que se llama «abajo-arriba» (bottom-up).

No estoy hablando de biología sintética, como lo que (Craig) Venter está haciendo. Aunque eso es técnicamente complejo, ese no es el problema del origen de la vida. El problema del origen de la vida no es introducir lo que ya tienes, sino decir: ¿Cómo, a partir de unas moléculas químicas, somos capaces de ensamblar todo eso?

El Santo Grial es: ¿Cómo podemos replicar, por medios no-enzimáticos, una cadena de polinucleótidos? Es posible que en este siglo seamos capaces de sintetizar vida en un laboratorio.

¿Cómo empezó todo esto?

Probablemente eran pequeños fragmentos de ARN que se ensamblaban de forma modular y que se podían replicar. Si tú puedes tener módulos de nucleótidos, con algunas propiedades funcionales, esto se podría intentar conseguir. Hay gente que lo está intentando.

¿Cómo ensamblamos esto con un metabolismo que está coordinado por estas moléculas, que generan enzimas etcétera y lo ensamblamos dentro de una estructura que llamamos protocélula, y que tenga la capacidad de crecer, dividirse, transmitir información y eventualmente evolucionar? Esto es un problema que todavía es bastante complicado.

Pero crear vida en el laboratorio no es una cosa trivial. Esto demostraría que de alguna forma no necesitaríamos ningún soplo divino que le da propiedades vitales a la materia inerte. Esto es cuestión de tiempo.

vicente.carbona@terceracultura.net

5 Comentarios

  1. Una cuestión tan fascinante como ésta de «¿cómo surgió la vida por vez primera?» es la otra cuestión intrigante: «¿por qué no está surgiendo constantemente?», es decir, por qué es un caso al parecer único de un fenómeno que es único. Seguramente las dos preguntas se responderán a la vez, pues deben ser en realidad (aunque aún no sabemos en qué sentido) la misma pregunta. Una cuestión a tener en cuenta es si es la propia existencia de la vida la que impide el surgimiento continuado de la vida, por el hecho de alterar radicalmente el entorno en que la vida surgió. Pero ¿TODO el entorno? ¿Puede la vida borrar sus propias huellas de manera tan radical?

  2. Quizá haya hablado demasiado pronto de «fenómeno único». Pues hay otro «fenómeno único», de origen evolutivo igualmente misterioso, y que también tiene que ver con la codificación eficaz y replicable de información: el lenguaje. Ese virus, que diría Chomsky. Un virus informacional que ha posibilitado la generación de un mundo simbólico de replicantes e Ideas, un mundo de información superpuesto al mundo material. El lenguaje también surgió, posiblemente, una sola vez—y sin embargo sigue surgiendo constantemente en cada niño que nace. Y el fenómeno éste de «retirar la escalera una vez se ha subido», el borrado de huellas causado por el éxito fulminante del propio fenómeno, parece darse tanto en el lenguaje como en la vida. Aunque siempre quedan huellas de protolenguaje incorporadas al propio lenguaje, como quedan huellas de elementos primigenios incorporadas a la propia vida (mitocondrias, etc.). Quizá haya aquí una analogía interesante para su exploración.

  3. Tercera Cultura says

    Excelentes observaciones, José Angel. Muchas gracias. Merecen un artículo.

    Vicente Carbona

  4. Néstor Mayer says

    Preguntas a los que saben: ¿La teoría de Cairns-Smith, sobre las arcillas, sigue siendo una hipótesis plausible?
    ¿Chomsky derivó el concepto de virus lingüístico, de los memes de Dawkins?
    Como hay olor a Tractatus Wittgenstenianos, me encuadro en su proposición 7., por eso pregunto.

  5. Pingback: Viajes con mi tía » Blog Archive » Inmortalidad. El gen egoísta (I).

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