Tema 1. Origen de los sistemas biológicos.
Contenido
•Teoría Quimiosintética.
Oparin-Haldane
En la década de los veinte del siglo pasado, Alexander Ivanovich Oparin (Oparin, 1924) y John Burdon Sanderson Haldane (Haldane, 1929), sugirieron que la atmósfera primitiva debió haber sido muy diferente a la actual, Según Oparin, carecía de oxígeno en forma libre y era altamente reductora (Un medio reductor es aquel en el que hay una gran disponibilidad de electrones, lo que favorece las síntesis químicas. Un reductor es, por ejemplo, el hidrógeno, porque cede electrones y un oxidante es el que los captura, como por ejemplo el oxígeno), debido a la presencia de hidrógeno, metano (CH4), amoniaco (NH3), los que gracias a la energía proporcionada por la radiación solar, descargas eléctricas y calor desprendido durante la actividad volcánica, reaccionarían para formar compuestos orgánicos de alto peso molecular que al acumularse y disolverse en el agua de los océanos primitivos, eventualmente habrían de constituir a los primeros seres vivos (Figura 1).
La síntesis abiótica
Los experimentos realizados en 1953 por Stanley L. Miller (Miller, 1953) bajo la dirección de Harold Urey, basados en la Teoría de Oparin, consistieron en el diseño y construcción de un aparato que simulara las condiciones que podrían haber existido en la tierra primitiva, antes de que se formara la atmósfera como la conocemos actualmente. En este aparato mezcló los 4 gases sugeridos por Oparin (metano, amoníaco, vapor de agua e hidrógeno) y a través de un par de electrodos les aplicó descargas eléctricas (que representaban a las descargas eléctricas que se suponía se formaban con gran frecuencia) y una fuente de calor que producía vapor de agua (para representar las altas temperaturas). Durante una semana el agua contenida en el matraz se mantuvo en ebullición y las descargas eléctricas continuaron aplicándose durante el mismo tiempo. Al analizar la solución, encontró que se habían sintetizado aminoácidos como la glicina, la alanina y otros compuestos orgánicos. Con este trabajo se demostró que algunas de las sustancias características de los seres vivos, también se pueden formar sin la intervención de estos (síntesis abiótica. Ya en 1828 F. Wohler había logrado la síntesis de la urea, sustancia que también se pensaba era posible obtenerla únicamente a partir de los seres vivos. Sin embargo, con el trabajo de Miller se pudo demostrar que la formación de moléculas biológicas esenciales, no sólo era posible, sino también probable que la formación de estos compuestos tuviera lugar mediante la síntesis abiótica, como lo había propuesto Oparin.
Lectura: *El Origen de la Vida en la Tierra
•Modelos precelulares.
Una atmósfera carente de oxigeno
Panspermia
Se propusieron varias hipótesis, entre ellas, la del químico sueco Svante Arrhenius (fig. 2) quién planteó, en 1908, lo que llamo la Teoría de la Panspermia. En su trabajo describe como algunos microorganismos procedentes de otras galaxias, y de otros planetas, con una atmosfera que permitiera la presencia de formas vivas, pudieron haber viajado a través del espacio hasta llegar a colonizar la tierra. Muy pronto su teoría sería descartada, puesto que se dijo que en lugar de resolver el problema sobre cómo se habían originado los primeros seres vivos, simplemente lo trasladaba a otro planeta. Carl Sagan y otros, han argumentado que es improbable que por esta vía pudiera haber llegado cuando menos una espora en toda la historia del universo. Además, cualquier microorganismo, de los que conocemos, moriría por efecto de la radiación, el frío y el vacío del espacio exterior (Shapiro, 214).
Melvin Calvin en 1961, empleando un ciclotrón (acelerador de partículas) sobre la mezcla de los gases primitivos logró sintetizar aminoácidos, azúcares, urea, ácidos grasos y otros compuestos orgánicos. El ciclotrón pretendió representar la energía que se producía por las desintegraciones radiactivas en la tierra primitiva (Figura 3.).
En 1960, Juan Oró mezclando ácido cianhídrico con amoniaco en agua, obtuvo una base nitrogenada, la adenina (Oró, 1961). Este compuesto interviene en la constitución de moléculas biológicas de gran importancia, entre otras, de los ácidos nucleicos. En 1963, C. Ponnamperuma, mediante la irradiación electrónica (ciclotrón) sobre una mezcla de amoníaco, metano y agua logró también sintetizar adenina (Ponnamperuna, 1963) y él mismo descubrió en 1965 que al irradiar formaldehido con luz ultravioleta (en virtud que se suponía que en la atmósfera primitiva no había oxígeno, por lo tanto no se formaba ozono para evitar la filtración de la luz ultravioleta procedente de la radiación solar) se obtienen entre otros: azúcares, ribosa y desoxiribosa (Figura 4.).
Modelos premoleculares
En 1969, Sidney W. Fox calentando mezclas de aminoácidos a temperaturas que fluctúan en un rango de 160° a 190° C, obtuvo una sustancia de características afines a las proteínas, a la que llamo proteinoide (proteína no biológica) (fig. 5). La propiedad más importante de esta sustancia es que bajo determinadas condiciones pueden constituir pequeñas gotas (esferas) cuyo tamaño puede ser comparable al de una célula típica. Según Fox, estas microesférulas proteicas pueden representar un antecesor de las primeras células. Algunas de las características que poseen son comunes a las de las células de animales y vegetales: se les puede colorear con los colorantes bacteriológicos usuales; vistas al microscopio electrónico, se observa que poseen una envoltura, una especie de doble pared celular y presentan fenómenos osmóticos; si se les somete a una ligera presión externa, forman largas cadenas semejantes a las que forman algunas bacterias o algunas algas; pueden aumentar de tamaño y formar gémulas, como en las levaduras o formar tabiques de división, que semejan los procesos de bipartición (Broschke, 1972).
También A. I. Oparin propuso la formación de gotas de materia en solución como posibles precursores de seres vivos, Oparin centro sus estudios, durante muchos años, en la tendencia de las soluciones acuosas de polímeros a separarse espontáneamente formando coacervados:: unas gotitas ricas en polímeros, suspendidas en un medio esencialmente acuoso (fig. 6.). Los coacervados fueron inicialmente sugeridos como un modelo de citoplasma por el químico holandés B. de Jong, quién demostró que mezclando dos soluciones diluidas de compuestos de alto peso molecular, se podían obtener gotitas microscópicas donde las moléculas tendían a agregarse como resultado de cargas eléctricas opuestas (citado en Lazcano, 1984).
Existen varias combinaciones de polímeros biológicos que pueden dar lugar a coacervados: proteína + carbohidrato (histona y goma arábiga), proteína + proteína (histona y albúmina), proteína + ácido nucleico (histona o cupleína y ADN o ARN). El diámetro de las gotitas de los coacervados puede ir desde un hasta 500 micrómetros. Una propiedad importante de los coacervados es que en su interior pueden ocurrir reacciones que den lugar a la formación d polímeros. Por ejemplo, si a un coacervado que contenga histonas y goma arábiga, se añade la enzima fosforilasa, entonces esta se queda concentrada en el interior de los coacervados, al difundirse en el interior de las gotitas, la enzima fosforilasa, polimeriza a la glucosa y se forma almidón que al sumarse a la goma arábiga (otro polímero glucosídico) hace que aumente el tamaño de la gotita, hasta llegar a romperse y formar gotitas hijas. En otro de los varios experimentos que realizó Oparin, incorporó clorofila en el interior de las gotitas y en el medio circundante añadió rojo de metilo y ácido ascórbico. Al exponerse a la luz, la clorofila y el ácido ascórbico reducen el rojo de metilo, en un proceso análogo al de la fotosíntesis de las plantas verdes (Dickerson, 1978). En la fotosíntesis, las moléculas de agua asistidas por la energía luminosa reducen el NADP+ a NADPH.
Corresponde a un mexicano, Don Alfonso L. Herrera , contribuir con sus investigaciones a tratar de resolver el problema sobre el origen de la vida. Mezclando ácido sulfocianhídrico y formaldehido, propone la teoría del origen del citoplasma (sulfobios). Produce también estructuras llamadas colpoides, mezclando aceite de oliva, gasolina y añadiendo gota a gota una solución concentrada de hidróxido de sodio teñido con hematoxilina. En esencia los trabajos de Alfonso L. Herrera estuvieron encaminados a tratar de demostrar la posibilidad que la vida se pudo haber generado en la tierra mediante una serie de transformaciones químicas; con sus trabajos y estudios fundó una disciplina que el denomino Plasmogenia, es decir, la ciencia que estudia la generación del citoplasma (Herrera, 1924) (fig.7). Resulta difícil imaginar cómo se le ocurrió a Don Alfonso emplea el ácido sulfocianhidrico y el formaldehido, ya que se sabría hasta las décadas de los 70 y 80 que estas sustancias constituyen los precursores comunes a partir de los cuales se pueden formar una gran parte de los componentes característicos de los seres vivos (Aguilera, 1993). Los compuestos empleados por Herrera en 1941 para producir sulfobios, serían los mismos que se comprobaron en 1968, constituyen las materias primas orgánicas presentes en nuestra galaxia (Río, 1983).
Una versión diferente que se propone para la concentración prebiótica de moléculas es la formulada por A. G. Cairns Smith (fig. 8). Para él, las primeras formaciones moleculares fueron de cristales de arcilla. En ellas la absorción sobre superficies de minerales comunes, como las micas y las arcillas, formadas por hojas paralelas de silicatos, unidas por iones positivos, con capas moleculares de agua entre las hojas, que permiten la difusión de otras moléculas (Cairns Smith, 1985).
En esencia, este autor propone una vía común para explicar al mismo tiempo: el origen del metabolismo intermedio, la síntesis de macromoléculas y la aparición de su replicación. Para él, tuvo que existir una “vida inorgánica”. Basa su hipótesis en las semejanzas que hay entre las arcillas y las macromoléculas biológicas:
- Ambas con capaces de construir series moleculares de gran variedad y tamaño.
- Los dos tipos de compuestos se forman en el agua y exponen una superficie considerable a este disolvente donde pueden absorber otras moléculas.
- Los cristales de arcilla (de salicilato de aluminio), y también otros compuestos microcristalinos como los óxidos o los sulfuros metálicos, son susceptibles de absorber numerosas sustancias orgánicas o inorgánicas; también son capaces de metabolizar muy selectivamente algunas reacciones que, por otra parte, utilizan los químicos. Estas propiedades permitirían construir en las superficies de las laminillas de arcilla, pequeñas moléculas orgánicas por medio de reacciones catalíticas específicas y explicar así el establecimiento de una clase de ancestro del metabolismo intermedio.
Amplía su fundamentación argumentando que no requieren de una atmósfera especial ni caldos de cultivo donde desarrollarse y que ellas bien pudieran haber servido de substrato para sintetizar ácidos nucleicos o proteínas, empleando para ello, solamente energía solar y dióxido de carbono.
En su trabajo titulado: Genetic Takeover (Relevo Genético), se discute la posibilidad de remplazo de estos “genes cristalinos”, de naturaleza inorgánica, por la de los genes de los ácidos nucleicos, de naturaleza orgánica. Si bien la propuesta de Cairn Smith puede explicar los supuestos teóricos en que se basa esta hipótesis, no cuenta con suficiente apoyo experimental, en todo caso, estas ideas se enmarcan dentro de la proposición de Haldane de 1924, de que el proceso evolutivo de los seres vivos se inició con moléculas capaces de duplicarse y mutar, es decir, genes desnudos, los cuales adquirieron capacidades de auto ensamble y debido a la estabilidad de las configuraciones estereoquímicas que adoptaron, por la complementariedad entre sus bases, los que presentaron mayor estabilidad y mejor capacidad de duplicación fueron seleccionados. Posteriormente se rodearon de un límite membranal y dieron origen a la primera entidad celular (León Cazáres, 1987).
Presentación: Modelos precelulares
Otras alternativas sobre el origen de la vida.
La atmósfera oxidante
En la década de los setenta del siglo pasado empezó a cuestionarse fuertemente la existencia de una atmósfera prebiótica carente de oxígeno libre. A principios de los ochenta, la geoquímica y la observación por un grupo de astrofísicos de la NASA, mediante satélites, de la radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes, se demostró la posibilidad de que la Tierra, poco después de su formación, hubiera estado expuesta a una radiación ultravioleta muy intensa. Esta irradiación habría producido la liberación de una cantidad considerable de oxígeno en la atmósfera terrestre, por fotodisociación de moléculas de gas carbónico y de vapor de agua (Danon y Poupeau, 1982). A su vez, la irradiación ultravioleta habría disociado las moléculas de amoniaco y metano, de manera que el hidrógeno contenido en ellas, una vez libre, escaparía al espacio. Sobre estas bases, muy pronto se fue produciendo un cambio sobre las ideas que se tenían acerca de las condiciones que debieron existir en la Tierra primitiva. (fig. 9)
Meteoritos y nubes interestelares
Cuando se hicieron experimentos en los que se excluyó la presencia de metano, no se pudieron obtener aminoácidos complejos, lo que condujo a F. Crick y Fred Hoyle (Francis H. C. Crick, J. D. Watson y M. Wilkins, propusieron en 1953 el modelo sobre la estructura del ADN) a proponer un origen extraterrestre para la vida. Juan Oró, también sugirió que las primeras moléculas orgánicas se formaron fuera de la Tierra, en meteoritos o en estrellas lejanas, y no en los océanos primitivos como habían propuesto Oparin y Haldane. Christopher Chyba y Carl Sagan han recopilado muchos datos que les conducen a sugerir que moléculas orgánicas provenientes del espacio exterior pudieron constituir parte de la materia prima indispensable para la formación de las primeras moléculas que iniciaron los procesos de donde surgiría la vida (Chyba, 1992). El primer antecedente proporcionado por un meteorito, es el que cayó en Orgueil, Francia, en 1864. Al tomarle unas muestras y ser examinadas se encontró en ellos la presencia de aminoácidos, clasificando a la mitad de ellos como dextrógiros y a la otra mitad como levógiros. En virtud de que los aminoácidos fabricados por los seres vivos siempre son levógiros, en consecuencia, parte de los aminoácidos del meteorito de Orgueil son de naturaleza abiótica (Ponnamperuma, 1981) (fig. 10).
Las formas levórigeras (izquierda) son las más utilizadas por la naturaleza.
En otro meteorito que cayó cerca de Murchinson, Australia (1969), se hallaron 17 de los 20 aminoácidos que componen a las proteínas. Por otra parte, recientemente se ha calculado que cada año caen a la Tierra 100 toneladas de meteoritos, lo que permite establecer que desde la formación de la Tierra primitiva, la aportación de materia orgánica pudo haber sido del orden de 20g/cm2 (Robert, 1990). También se ha estimado que cada año caen sobre la Tierra, en forma de microscópicas partículas de polvo, 300 toneladas de materia orgánica rica en moléculas de la familia del carbono, que proceden de la evaporación de cometas y de la superficie de asteroides (son cuerpos celestes sólidos y relativamente pequeños que se mueven en órbitas situadas entre las de Marte y Júpiter. Es posible que sean los restos de un planeta que no llegó a formarse). Los meteoritos a los que se les han encontrado presencia de aminoácidos pertenecen al tipo de las condritas carbonáceas y representan al 5% de los meteoritos que se han impactado en la Tierra (Horgan, 1991). Las observaciones que se hicieron sobre el cometa Halley, el cual pasó cerca de la Tierra, sugieren que los cometas pudieran aun ser más ricos en compuestos orgánicos que las condritas carbonáceas. En todo caso, estas condritas también contienen hidrocarburos, alcoholes y otros químicos con los que se pudieran haber formado las membranas que protegían las células primitivas. Las condritas (o condritos) son un tipo de aerolitos (lititos), caracterizados por tener esférulos de silicatos de tamaño milimétrico, condritos o cóndrulos, y poseer un contenido de fierro que oscila entre el 19-35% en peso; este hierro se encuentra como hierro niquelífero libre, en forma de troilita o en silicatos, Los del tipo carbonáceo son de particular interés por la presencia de componentes orgánicos.
Actualmente, se han encontrado casi 90 moléculas diferentes predominando las del tipo orgánico hasta con 13 átomos (HC11N), con abundancia de moléculas de agua, en las nubes interestelares de nuestra galaxia y seguramente muchas más faltan por ser descubiertas (Pendleton, 1994). Las fuentes de moléculas interestelares más estudiadas están asociadas a ciertas regiones de Orión A (fig. 11) y Sagitario B. Se trata de nubes muy densas ionizadas que rodean a las estrellas calientes cubiertas por el polvo interestelar. Las moléculas más complejas han sido detectadas únicamente en Sagitario B, que es la nube molecular más rica de la Galaxia y forma parte de un gran complejo de nubes interestelares, localizado en la región del centro galáctico (Oró, 1973). Las moléculas relacionadas más directamente con el origen de la vida son principalmente hidrocarburos y nitrilos (compuestos de carbono y nitrógeno). Algunos nitrilos pueden reaccionar con el agua para proporcionar aminoácidos y bloques de estructuras complejas que están presentes en las proteínas y en los ácidos nucleicos (Pendleton, 1994).
Christopher Chyba ha calculado que la liberación de calor que se produciría como producto del impacto de un meteorito contra la superficie terrestre, es tal, que incineraría la mayor parte del material. Se ha calculado que un asteroide de 1.5 km. De diámetro, al caer sobre la Tierra, causaría una explosión con la fuerza de 100, 000 MEGATONES de TNT diez veces la fuerza del arsenal nuclear acumulado en el mundo o cinco millones de veces la fuerza que destruyó Hiroshima. El asteroide dejaría un cráter aproximadamente 15 km. De diámetro. Si bien nadie puede asegurar el efecto que causaría en todo el planeta un impacto de este tipo, es presumible que se levantaría una nube de polvo que podría bloquear por tiempo suficiente la luz solar hasta que sobreviniera un invierno nuclear (Champan, 1991). En estas condiciones sería improbable la presentación de la fotosíntesis. Sin embargo, si la atmosfera primitiva de la Tierra era mucho más densa que la actual podría potencialmente disminuir la velocidad del cometa y permitir que sus moléculas orgánicas alcanzasen intactas nuestro planeta.
Chimeneas submarinas
De haberse producido el número tan grande que se ha calculado de colisiones con cometas y meteoritos (como se supone por las impresiones dejadas en la luna al analizar sus cráteres) los cambios que habrían provocado en la atmosfera hacen difícil suponer que en estas condiciones pudieran haber aparecido los organismos primitivos. Esto permitió suponer que la vida pudiera haber sido incubada en las profundidades oceánicas, en lugar de pozas de agua que se forman sobre la superficie terrestre. Entre los que se apoya más fuertemente a esta suposición está John B. Corliss (del Goddard Space Flight Center de la NASA), quien fue uno de los miembros del equipo que descubrió, cerca de las Islas Galápagos, una de las primeras chimeneas submarinas, conocidas también como fumarolas negras o fuentes hidrotermales(Figura 12.).
En tales sitios el agua brota a temperaturas que pueden rebasar los 90°C y a una presión de 250 atmosferas. En esas condiciones hay óxido y dióxido de carbono, nitrógeno, hidrogeno, metano, azufre y abundante energía indispensable para crear y mantener la vida. Según Corliss, en el interior de las chimeneas submarinas los primeros organismos habrían quedado resguardados de los efectos provocados por el impacto, en nuestro planeta, de los meteoritos u otros cuerpos extraterrestres (Brock, 1988). En apoyo a ésta hipótesis Carl R. Woese, de la Universidad de Illinois, al hacer una comparación genética de bacterias (a las que llamó archibacterias) que obtuvo en este sitio, encontró que pueden ser las formas vivas más antiguas de todas las especies actúales (Woese, 1981).
Stanley Miller opina que no está de acuerdo en la hipótesis de las fuentes hidrotermales, pues parece que estas tienen una vida media que sólo dura unas cuantas décadas antes de que se extingan(Figura 13.). Además, Jeffrey L. Bada de la Universidad de California en San Diego, ha realizado experimentos que sugieren que en el interior de las fuentes, la temperatura algunas veces puede exceder los 300°C (572°F), la cual más que crear, destruiría a los compuestos orgánicos. Miller considera que si la superficie de la Tierra se le considera como una sartén que se está friendo, entonces las fuentes hidrotermales serían el fuego que la está calentando (Horgan, 1991).
Un ARN catalítico
En todo caso, este conjunto de observaciones han demostrado que, a diferencia de lo que se supone con frecuencia no es difícil producir moléculas orgánicas a partir de átomos fundamentales: carbono, hidrogeno, oxigeno y nitrógeno muy abundantes en el universo (Figura 14.). Lo que es difícil, en cambio, es producir las que pertenecen a unos tipos suficientemente poco variados y próximos de las moléculas hoy conocidas en los organismos vivientes (Danchin, 1988). Existe otro problema: no obstante que se ha demostrado que es factible conseguir que los “bloques de construcción” (aminoácidos, azucares, etc.) de los seres vivos se formen en condiciones abióticas, otra cosa es conseguir el ensamblaje funcional de los componentes. La mayor parte de las funciones de los seres vivos están reguladas por enzimas (proteínas con actividad catalítica. Estas se sintetizan de acuerdo a la información contenida en los ácidos nucleicos. A su vez, para la duplicación de los ácidos nucleicos, se implica que ya existan previamente enzimas (Aguilera, 1993).
Ante este panorama, cabe preguntarse: ¿Cuáles fueron las primeras moléculas que aparecieron en los orígenes de la vida? ¿Las proteínas o los ácidos nucleicos? Descubrimientos realizados a principios de la década 1980-1990, señalan que los ácidos nucleicos como los candidatos más probables. Estas investigaciones empiezan a configurar una nueva imagen que viene a enriquecer y orientar las investigaciones en torno a los orígenes de la vida.
Hasta antes de la década de los ochenta, se sabía que entre las sustancias que constituyen los seres vivos existían dos radicalmente diferentes: proteínas y ácidos nucleicos. Los conocimientos generados a partir del descubrimiento del modelo de la molécula del ADN, establecieron que las proteínas se forman de acuerdo a la información contenidas en el ADN y que éste para actuar e incluso para formas más ADN, requiere la presencia imprescindible de proteínas con actividad catalítica: las enzimas(Figura 15). A tal situación se le comparaba von el antiguo problema clásico sobre el origen de la vida del huevo y la gallina: ¿qué fue primero, el ADN o las proteínas? (Horgan, 1991)
En el año de 1981, Thomas Cech, en Boulder, Colorado, encontró que en el protozoario Tetrahymena piriformis, un ARN ribosómico era copiado del ADN en forma de un precursor que contenía un largo fragmento “inútil” un ( intrones ). Al madurar, este se escindía, seguido de un plegamiento de las extremidades adyacentes de este fragmento. Todo sin la participación de enzimas (Danchin, 1988) (fig.16). En 1986, Cech y sus colaboradores, demostraron que el fragmento producido durante la reacción de la unión extrema y reducida a 19 nucleótidos, se comportaba como un verdadero catalizador. Este fragmento a la vez es capaz de retirar uno a uno los nucleótidos del extremo de algunos ARN o por el contrario, de alargarlos, todo ello sin que la molécula inicial quede alterada: así, un ARN puede comportarse como una autentica enzima. Por ello, a este acido nucleico que se comporta a la vez como enzima, se le denomino ribozima (de ribosa, un azúcar que entra en la constitución del ARN y enzima). Otros intrones con capacidad de autoescición serían luego localizados en diferentes organismos: hongos, plantas, protozoos y bacterias. Pueden encontrarse también en los ARN de los ribosomas nuclearas, así como en otros organelos celulares: las mitocondrias y los cloroplastos (Silveria, 1990) El intron de Tetrahymena se ha convertido en el prototipo del grupo mejor caracterizado, los intrones del tipo (o grupo) 1. Tales intrones también actúan como elementos móviles, de ahí que se esté considerando la importancia del papel que tendrían los ARN catalíticos en la aparición de intrones en los organismos superiores (Saldanha, 1993).
En 1983, el grupo de Sidney Altman, de la Universidad de Yale, en Connecticut, observó en ciertas condiciones, “in vitro”, que el fragmento de ARN de la ribonucleasa P (Es responsable de la maduración de una clase particular de ARN, los ARN de transferencia. Capaz de reconocer el conjunto de los ARN de transferencia y cortarlos en el lugar específico, a pesar que todos poseen secuencias de nucleótidos) podía realizar sólo las reacciones, con la presencia del resto de la molécula que era una proteína. Estos trabajos demostraron que la parte catalítica de la ribonucleasa P era la molécula del ARN. La proteína tiene un papel adicional: aumenta la velocidad de reacción, estabiliza la estructura del ARN y modifica la especificidad de la enzima (Gerlach, 1992).
Los trabajos anteriores (realizados en forma independiente) hicieron merecedores a Cech y Altman del premio Nobel de química en 1989, por su contribución al descubrimiento de los ARN catalíticos (Danchin, 1990).
A los intrones autocatalíticos y la ribonucleasa P, se habría de sumar una tercera categoría de ARN catalíticos: los ARN satélites. Estas son moléculas de ARN que se albergan en el ARN genómico de los virus de algunas plantas, que aparentemente utilizan los mecanismo de multiplicación y diseminación del virus en su propio provecho.
Estos descubrimientos vinieron en apoyo a una hipótesis propuesta hace más de veinte años por C, Woese, y luego por L. Orgel, según la cual, los ARN serían las primeras moléculas biológicas que aparecieron en los orígenes de la vida. Al evolucionar, podrían haber aprendido a autocopiarse. Por otra parte, el ARN fabricaría las primeras proteínas que le ayudaría, a su vez, a sintetizarse. Eventualmente, gracias a las proteínas, el ARN evolucionaría hacia ADN, que finalmente guardaría y actuaría como la memoria genética (Horgan, 1991).
El profundo interés y las investigaciones que provocaron el descubrimiento de estos ARN, fueron denominados por W. Gilbert como “el mundo de los ARN”. Investigadores, como Jack Szostak y Jennifer Doudna, sobre esta base, han logrado fabricar moléculas de ARN con capacidad enzimática que se comportan como autenticas ARN polimerasas, un enzima proteico capaz de alargar una molécula de ARN; Szostak, busca también en el laboratorio la posibilidad que uno de estos ARN pudiera ser encapsulado en una membrana (Fredman, 1992) (Sérafini, 1990).(Figura 18).
Entre los avances más recientes deben citarse los trabajos del grupo de Noller (Noller, 1993) en los que se demuestran las profundas interacciones que existen entre las moléculas de ARNr y ARNt en el contexto de la actividad de la peptidil transferasa, así como el descubrimiento por este grupo, que el ARNr, virtualmente desprovisto de proteína es capaz, por si mismo, de llevar a cabo enlaces peptídicos, por lo que se considera que el ARMr posee actividad catalítica. Este resultado concuerda con las primeras sugerencias (sustentadas sobre fundamentos teóricos) que planteaban que los primeros ribosomas deberían haber estado constituidos exclusivamente por ARN (Orgel, 1993).
En todo caso, la investigación básica en esta área está derivando hacia importantes aplicaciones potenciales: hoy se enuncia la elaboración de nuevas enzimas de ARN, o ribozimas, como instrumentos de elección para la ingeniería genética, ya que permiten cortar el ARN en fragmentos precisos (como las endonucleasas de restricción) en la lucha antivírica. Se piensa que los oncogenes responsables de la aparición del cáncer pudieran ser activados mediante la introducción de una ribozima. Las plantas cultivadas pudieran llegar a hacerse resistentes a los virus que llevan ARN. Ya en 1990, un equipo del National Institute of Health, de Estados Unidos, obtuvo la expresión estable, en células humanas, de una ribozima destinado a destruir el ARN que dirige la síntesis de una proteína responsable del virus del sida, la proteína gag. Cuando estas células son infectadas por el virus se observa una disminución del ARN vírico desde el momento de su penetración (Gerlach, 1992). (Figura 19.)
Además, no hay que perder de vista, señalan algunos científicos (Radetzki, 1992), que si bien es cierto que el “mundo de los ARN” es una aproximación muy cercana a la explicación de los orígenes de la vida, y que estos son mucho más simples que una célula bacteriana es, aún así, una pieza cuya maquinaria molecular contiene más de treinta átomos enlazados y dispuestos en forma muy especial. Probablemente algunas formas moleculares de compuestos orgánicos, más simples, debieron haberles precedido.
En ese sentido, Julius Rebek, Jr, un químico del Instituto Tecnológico Massachusetts, a principios de 1990, publicó un trabajo en el que anuncia que había creado una molécula orgánica sintética con capacidad para poder replicarse a sí misma (Horgan, 1991 y que por tanto, Rebek consideraba una forma primitiva de vida. Esta molécula, a la que Rebek bautizó AATE (iniciales en inglés de “éster tríacido de la amina adenosina”) adopta la forma de una J mayúscula, en la que participan dos sustancias: una amina (es decir un compuesto orgánico que contienen nitrógeno) y un éster (un compuesto formado por un acido y un alcohol). Si se colocan en una solución rica en aminas y ésteres, el éster del AATE se unirá a una amina libre, y la amina del AATE se unirá a un éster (Figura 20.). En cuanto la doble unión se haya producido, esta se romperá, formándose en su lugar dos nuevas moléculas de AATE, con la misma forma y composición química que poseía la molécula original. La mezcla tiene lugar en una solución de cloroformo. Si la solución contiene las concentraciones optimas de nutrientes, las moléculas de AATE pueden reproducirse por millones de veces por segundo (Bohoslarsky, 1991). Sobre este experimento, Leslie E. Orgel, del Instituto Salk, hizo notar que para que algo se considere vivo no es suficiente con que tenga capacidad de auto replicación. Deben ocurrir, ocasionalmente, errores y que estos sean susceptibles a ser heredados, o mutaciones, que conduzcan a la obtención de replicadores más eficientes. Sólo entonces se pueden presentar la evolución y la selección natural autenticas características de la vida-(Horgan, 1992).
En respuesta los señalamientos anteriores, Rebek y su equipo de colaboradores (Jong-In Hong, Qing Feng y Vincent Rotelo), a principios de 1992, informaron, en Science, haber obtenido un sistema de moléculas con capacidad para evolucionar. La nueva mezcla contiene tres aminas, cada una de las cuales se une a un éster para formar una amida con capacidad autoreplicativa (Figura 21.). Estas tres amidas son ligeramente diferentes entre sí y se replican casi con la misma rapidez, sin embargo cuando son irradiadas con luz ultravioleta, una de ellas muta hacia una variante que se reproduce mucho más rápido que las otras. Al poco tiempo de concluir este experimento, hicieron una nueva mezcla que contenía ahora dos ésteres y dos aminas con las que obtuvieron a cuatro amidas diferentes, incluyendo entre ellas a las dos que habían creado con los primeros experimentos. Una de las amidas hibridas es un replicador altamente eficiente, mejor aun que los mutantes obtenidos mediante irradiación con luz ultravioleta. La otra molécula híbrida, carece absolutamente de capacidad replicativa; de ella, dice Rebek, está condenada a sufrir la misma suerte que la mula(son estériles) (Bohoslarsky, 1991).
Los trabajos de Rebek y sus colaboradores no han alcanzado una aceptación universal ente la comunidad científica, ya que tales ecosistemas desarrollados en tubos de ensayo, son tan sólo pálidas imitaciones del modelo darwiniano de la evolución.
Esto significa que aún cuando se consiguiera obtener en el laboratorio a una molécula que exhibiera características afines a la de los seres vivos, tendríamos que preguntarnos: ¿así fue realmente la primera molécula? Al contestarla no deberíamos dejar de tomar en cuenta los profundos cambios que ha sufrido nuestro planeta: vulcanismo, erosión y movimiento de las palcas tectónicas, son algunos de los elementos que han transfigurando una imagen de la Tierra primitiva en contraste con la actual. Después de todo, no debe dejar de tomarse en cuenta que a la naturaleza le ha tomado más de 4 000 millones de años para producir las moléculas que actualmente conocemos.
•LUCA (Last Universal Common Ancestor)
Uno de los resultados más importantes de la biología moderna ha sido la demostración de la unidad de la vida. Darwin ya había hablado de la posibilidad de que todos los seres vivos tuvieran un origen común y la diversidad actual sería resultado de millones de años de evolución.
De hecho, todos los seres vivos del planeta descienden de un solo ancestro en común, conocido normalmente bajo las siglas en inglés de LUCA (el último ancestro común universal). El descubrimiento fue hecho por el Carl Woese, hace aproximadamente 30 años atrás. El organizo la vida actual del planeta en tres dominios: dos con una naturaleza procariota: Archea y Bacteria y una eucariota (Eucarya). Dando así nacimiento a un nuevo campo de investigación científica dedicado a descubrir la naturaleza de LUCA.
Hoy en día, gracias a la acumulación de información genómica, podemos viajar al pasado genético e inferir las características de LUCA comparando que tienen en común los organismos del presente. Por ejemplo, queda claro que Luca era un organismo celular provisto de una membrana citoplasmica. Otros estudios, sugieren que LUCA emergió hace 3.8 millones de años y no toleraba el calor extremo. Sin embargo, inferir la intervención de otros personajes de Luca de la genómica comparativa es menos sencillo: por ejemplo, unos mecanismos moleculares esenciales para la replicación del ADN no son homólogas en los tres dominios y su distribución es a menudo desconcertante. Esta evidencia ha sido adoptada por los defensores de la hipótesis de que Luca albergaba un genoma de ARN y que su reemplazo por el ADN y la aparición de los sistemas moleculares correspondientes se habría producido de forma independiente en los tres dominios de la vida después de su divergencia.
•Teoría de endo simbiosis.
La teoría Endosimbiótica propuesta por Lynn Margulis
Se basa en las siguientes observaciones: tanto mitocondrias como cloroplastos tienen, a grandes rasgos, dimensiones parecidas a las de las bacterias. Además, estos organelos contienen ADN, ARN mensajero, ribosomas y ARN de transferencia; pueden multiplicarse independientemente del núcleo celular mediante la replicación de su ADN y sintetizar algunas de sus proteínas bajo el control de sus propios genes. Ello sugiere que estos organelos fueron organismos unicelulares capaces de autorreproducirse y sintetizar la totalidad de sus proteínas. Aunque tienen mucho menos ADN que las bacterias actuales, da la impresión que estos organelos tuvieron como antecesores a bacterias que vivían independientemente; enseguida pasaron a ser huéspedes permanentes de bacterias más grandes y se estableció una simbiosis. entre los distintos organismos, lo cual acabó por originar los primeros seres eucariontes, manteniéndose hasta nuestros días gracias a la capacidad hereditaria de tal asociación. Un argumento adicional a esta teoría es que tanto cloroplastos como mitocondrias son capaces de vivir de manera casi indefinida in vitro; es decir, en condiciones de laboratorio fuera de la célula eucarionte.
Los estudios más recientes, revelan que, tanto en cloroplastos como en mitocondrias, los ribosomas y su respectivo ARNr están más relacionados, evolutivamente con los de las bacterias que con los de los eucariotas. Por otra parte, los estudios de ADN revelan que la mitocondria ciertamente fue una bacteria de vida libre del tipo fotosintético púrpura, mientras que el cloroplasto proviene de una cianobacteria.
Aún en la actualidad somos testigos de procesos de simbiosis entre microorganismos, como es el caso del protozoo Personympha, con el cuál ciertas bacterias de tipo espiroquetas establecen una relación en la que se pegan en la membrana limitante y actúan a manera de cilios, ayudando en la locomoción y permitiendo que el protozoo tenga un control sobre dirección, velocidad y momento en que deben detenerse o avanzar. Las espiroquetas obtienen a cambio alimento y protección (ver figura 22).
Vale la pena mencionar que la tendencia evolutiva de las células procariontes incluye los filamentos, zoogleas y las propias células eucariontes. Los filamentos (quizá el mejor ejemplo lo constituye la llamada lama, que son algas procariontes que viven en ríos y arroyos y que se caracterizan por ser muy resbaladizas), se constituyen cuando al dividirse una célula, las células hijas no se separan, continúan con esta tendencia en un solo plano, formando una especie de hilo constituido de células. Las zoogleas (los llamados “búlgaros”, que fermentan la leche, y la nata o madre del vinagre, son ejemplos típicos), se constituyen cuando las células se rodean de una sustancia gelatinosa y, al reproducirse, las células hijas quedan incluidas en la misma masa gelatinosa.
Por su parte, las células eucariontes tendieron a formar filamentos, consorcios, colonias, tejidos, órganos, aparatos y sistemas. Los tres primeros niveles pueden constituir organismos independientes, pero a partir de los tejidos estamos hablando de partes o constituyentes de organismos pluricelulares. Los filamentos son semejantes a los de procariontes, aunque en este caso se llega a estructuras más complejas, como las hifas que constituyen a los hongos. Los consorcios se forman cuando a partir de una célula madre se constituyen masas celulares organizadas como Pandorina, aunque las células constituyentes pueden separarse y tener vida independiente (ver figura 1.8). En las colonias, las células se agrupan y empiezan a tener división del trabajo, como en Volvox, en donde unas células se especializan en natación y otras en reproducción. Es difícil de que se realice la vida independiente de las células de Volvox. En organismos pluricelulares como la estrella de mar o el hombre, podemos encontrar diversos tipos de tejidos que constituyen órganos (cada tejido está constituido por células iguales especializadas en cierta función, mientras que los órganos son la unión de diversos tejidos para constituir una estructura con función definida); los órganos pueden formar sistemas o aparatos dependiendo si predomina o no, respectivamente, un tipo de tejido (ejemplo de sistema: óseo, donde predomina este tipo de tejido; ejemplo de aparato: digestivo, donde podemos encontrar diversidad de tejidos en la boca, dientes, estómago, glándulas anexas entre otros).
Lectura: *El Origen de la Vida en la Tierra