Los polímeros genéticos El ARN y el ADN son centrales para el almacenamiento de información en todos los sistemas biológicos, y como tales forman el núcleo de la mayoría de las hipótesis sobre el origen de la vida. La más prominente de estas teorías es la hipótesis del «mundo del ARN», que postula que el ARN fue una vez el portador de información central y el catalizador de reacciones bioquímicas en la Tierra antes de la aparición de la vida1. Sin embargo, los estudios realizados en los últimos años (ver ref. 2, por ejemplo) han sugerido que los primeros sistemas genéticos podrían haberse basado en moléculas de ácido nucleico que contienen tanto nucleótidos de ARN como de ADN, que luego se auto-separaron gradualmente en ARN y ADN actuales. Escribiendo en la Naturaleza, Xu et al.3 ofrece un fascinante soporte experimental para un mundo mixto de ARN y ADN.
Se cree que los procesos geoquímicos primordiales han llevado a la formación de los bloques de construcción de los ácidos nucleicos: nucleótidos y nucleósidos (nucleótidos que carecen de un grupo fosfato). En condiciones adecuadas, estos bloques de construcción se polimerizaron y las hebras resultantes finalmente se replicaron, sin la ayuda de enzimas proteicas modernas.
Trabajadores del mismo grupo de investigación que Xu et al. había identificado previamente4 una red de reacciones promovidas por la luz ultravioleta que resultó en la síntesis de dos de los nucleósidos estándar que se encuentran en el ARN: uridina (U) y citidina (C), que se conocen colectivamente como pirimidinas (Fig. 1). Estas reacciones comenzaron a partir del cianuro de hidrógeno (HCN) y sus derivados, moléculas simples que se cree que estaban fácilmente disponibles en la Tierra primitiva. Estudios posteriores y el desarrollo de esta red de reacciones plantearon la intrigante posibilidad de que los precursores de proteínas y lípidos pudieran haber surgido simultáneamente junto con nucleosidos5, proporcionando así tres de los principales tipos de moléculas necesarias para fabricar células. Sin embargo, una ruta complementaria para la formación de los otros dos nucleósidos de ARN estándar (adenosina y guanosina, conocidas como purinas) utilizando la misma química basada en HCN ha permanecido esquiva.
Figura 1 | Una red de reacción que produce subunidades de ADN y ARN. Se sabía que una red de reacciones químicas produce las subunidades de ARN citidina (C) y uridina (U), en condiciones que podrían haber ocurrido en Tierra prebiótica4. La red parte del cianuro de hidrógeno (HCN) y procede a través de un intermediario llamado riboaminooxazolina (RAO). Xu et al.3 ahora informe que los compuestos conocidos como α-anhidropirimidinas producidos en la vía hacia C y U también se pueden convertir en paralelo en las subunidades de ADN desoxiinosina (dI) y desoxiadenosina (dA). Estas subunidades pueden formar pares de bases con C y U. Las cuatro subunidades-C, U, dI y dA-por lo tanto constituyen un ‘alfabeto’ genético completo que podría haber sido utilizado para codificar información biológica en la Tierra primitiva.
En el presente trabajo, Xu et al. compuestos revisitados producidos como intermedios en la red de reacción4 previamente establecida que sintetiza U y C. Identificaron una vía en la que un intermediario clave de la síntesis de nucleósidos de pirimidina, la riboaminooxazolina (RAO; Fig. 1), también se puede convertir en dos nucleósidos de ADN de purina, desoxiadenosina (dA) y desoxinosina (dI, que no es uno de los nucleósidos estándar que se encuentran en el ADN moderno). Fundamentalmente, estos nucleósidos de ADN pueden formar pares de bases con U y C. Los cuatro nucleósidos-U, C, dA y dI–constituyen, por lo tanto, un «alfabeto» completo que podría haber codificado información genética en ácidos nucleicos en un mundo prebiótico de ARN-ADN.
Es importante destacar que la síntesis de dA y dI puede ocurrir en paralelo con la de U y C, produciendo mezclas de los cuatro productos en rendimientos y proporciones adecuadas para la construcción de un sistema genético. Esta compatibilidad mutua de las dos vías sintéticas aumenta la verosimilitud de la red de reacción como sistema prebiótico: si las dos síntesis fueran incompatibles, habría que idear escenarios geológicos para explicar cómo podrían haberse separado en diferentes piscinas para permitir que ocurriera la química, y luego combinarse para permitir la formación de moléculas híbridas de ARN y ADN. En particular, bajo ciertas condiciones de reacción, U y C pueden sobrevivir solo en presencia de los compuestos de tioanhidropurina que actúan como precursores directos de dA y dI.
Muchas moléculas orgánicas se pueden producir como versiones para zurdos y diestros, conocidas como enantiómeros, que son imágenes especulares entre sí. Sin embargo, los nucleótidos modernos y sus bloques de construcción toman la misma forma enantiomérica. Una de las principales dificultades en la investigación de los orígenes de la vida es explicar cómo se podrían haber generado enantiómeros individuales a partir de moléculas precursoras simples que no tienen manos y que podrían haberse formado en la Tierra prebiótica. La síntesis de purinas de Xu y sus colegas es atractiva en este sentido, porque es altamente selectiva para los enantiómeros y otros isómeros de nucleósidos observados en la biología moderna.
Se han descrito rutas alternativas para la síntesis prebiótica combinada de nucleósidos y nucleótidos de pirimidina y purina6,7. Estas vías requieren azúcares puros químicos y enantioméricamente para ser utilizados como materiales de partida, lo que plantea el problema de que otros procesos prebióticos, a menudo desconocidos, habrían sido necesarios para proporcionar esos materiales de parte8. Por el contrario, la enantioselectividad reportada por Xu et al. deriva de RAO, que puede cristalizarse como un solo enantiómero a partir de reacciones en las que los materiales de partida son casi racemicos9 (es decir, los materiales de partida consisten en una mezcla casi igual de enantiómeros).
La síntesis de nucleósidos también puede conducir a productos en los que la base del nucleósido se une al azúcar en la orientación incorrecta. En la vía sintética de Xu y compañeros de trabajo, se produce una reducción química inducida por rayos UV que conduce a la destrucción sorprendentemente selectiva de estos subproductos no deseados, produciendo en última instancia solo los isómeros biológicamente relevantes de las purinas. Dado que la Tierra primitiva fue altamente irradiada por rayos UV, la notable selectividad de esta reacción sugiere un posible mecanismo por el cual el conjunto total de isómeros potenciales de ácido nucleico se redujo al subconjunto de isómeros observados hoy en día en la naturaleza.
El trabajo de Xu y sus colegas apoya una visión de la evolución molecular temprana algo alejada de la hipótesis convencional del mundo del ARN «puro», y quizás ofrezca una ruta más plausible al origen de la vida a partir de entornos químicos mixtos y complejos. Dada la falta de ‘fósiles químicos’, y la incertidumbre sobre las condiciones exactas y la química que ocurrieron en la Tierra primitiva, es imposible decir qué vías químicas realmente tuvieron lugar. En cambio, debemos asegurarnos de que los sistemas propuestos se ajusten lo más posible a nuestra comprensión de lo que podría haber sucedido de manera realista en la Tierra prebiótica, no solo la química, sino también la complejidad general de las redes de reacción y su compatibilidad con otros procesos.
En el trabajo actual, los autores muestran que los cuatro nucleósidos se pueden producir a través de procesos que razonablemente se podría esperar que hubieran ocurrido en la Tierra temprana (como hidrólisis, secado e irradiación UV), y proporcionan vías sintéticas plausibles que podrían suministrar a las reacciones los materiales de partida requeridos. Sin embargo, como para todas las síntesis prebióticas, sigue siendo difícil imaginar el microambiente real que podría haber soportado las muchas transformaciones químicas específicas requeridas para producir los bloques de construcción de la vida en cantidad.
Sin embargo, el trabajo de Xu y sus colegas demuestra de manera impresionante cómo pudo haber surgido un alfabeto genético completo. Independientemente de si pensamos que la vida se desarrolló solo a partir del ARN o a partir de mezclas más complejas de ácidos nucleicos, el pensamiento a nivel de sistemas para encontrar vías químicas prebióticas compatibles entre sí será crucial para desarrollar modelos verdaderamente plausibles de las primeras etapas de la emergencia de la vida.