El entorno sería muy común en las islas volcánicas de la Tierra primitiva
Investigadores han descubierto un plausible escenario evolutivo 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.
El estudio fue descrito por los editores como un importante trabajo con evidencia convincente para mostrar cómo una simple configuración geofísica de flujo de gas sobre un estrecho canal 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, más ampliamente, en los ácidos nucleicos y las aplicaciones de diagnóstico.
El surgimiento de la vida en la Tierra todavía es un enigma sin resolver, pero una teoría común es 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 habilidades les permite mutar, evolucionar y adaptarse a diversos entornos y, en última instancia, codificar las proteínas que forman los componentes 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.
Imagen derecha: Escenario geológico en el que el agua, que contiene biomoléculas, se evapora mediante un flujo de gas a escala de milímetros.
"Se han estudiado varios mecanismos por su potencial para separar las cadenas de ADN en el origen de la vida, pero todos ellos requieren cambios de temperatura que conducirían a la degradación de los ácidos nucleicos", dice el autor principal Philipp Schwintek, estudiante de doctorado de Biofísica de Sistemas en Ludwig-Maximilians-Universität München, Munich, Alemania.
"Investigamos un escenario geológico simple y omnipresente donde el movimiento del agua a través de un poro de la roca era secado por un gas que se filtraba a través de la roca para llegar a la superficie. Un entorno así 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 presenta un flujo de agua ascendente que se evapora en una intersección con un flujo de gas perpendicular, 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, obligando a las moléculas a regresar a la masa. Para entender cómo afectaría este modelo a los ácidos nucleicos dentro del ambiente, 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 conduciría 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 cara acuosa se acumulaban cerca de la interfaz gas/agua".
A los cinco minutos de iniciar el experimento, se produjo una acumulación de cadenas de ADN tres veces mayor, mientras que después de una hora, se acumularon en la interfaz 30 veces más cadenas de ADN.
Aunque esto sugiere que la interfaz 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. Generalmente 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.
Imagen derecha: Las mediciones de transferencia de energía por resonancia de fluorescencia revelaron ciclos de separación de hebras.
Para probar esto, utilizaron un método llamado espectroscopia FRET para medir la separación de las cadenas de ADN: una alta señal FRET muestra que las cadenas de ADN todavía están 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 hubo un flujo ascendente de agua, la señal FRET fue baja, lo que indica ADN de una sola cadena.
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 cadenas.
Aunque los ácidos nucleicos y las sales se acumularon cerca de la interfaz gas-agua, en la mayor parte del agua las concentraciones de sal y ácidos nucleicos permanecieron extremadamente bajas. Esto impulsó al equipo a probar si la replicación de ácidos nucleicos realmente podría 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 laboratorio, la temperatura se mantuvo constante y la reacción estuvo expuesta a la entrada combinada de agua y gas.
Después de dos horas, la señal fluorescente había aumentado, lo que indica un mayor número de moléculas de ADN de doble cadena replicadas. Sin embargo, cuando se cortó el flujo de gas y agua, no se observó ningún aumento en las señales de fluorescencia y, por lo tanto, no se vio ningún aumento en el ADN de doble cadena.
"En este trabajo investigamos un entorno geológico plausible y abundante que podría desencadenar la replicación de la vida temprana", concluye Braun. "Consideramos una situación en la que el gas fluye sobre un poro abierto de la roca lleno de agua, sin ningún cambio de temperatura, y descubrimos que el flujo combinado de gas y agua puede provocar 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 potenciales entornos que podrían permitir la replicación en los primeros planetas".
La investigación se ha publicado como una preimpresión revisada en eLife: Prebiotic gas flow environment enables isothermal nucleic acid replication
