El ARN puede plegarse en configuraciones más complejas de lo que pensaban los científicos
Durante mucho tiempo, los científicos creyeron que cuando el ARN dio origen a la vida en la Tierra hace 4 mil millones de años, solo podía formar pequeñas y simples estructuras.
Sin embargo, nuevas investigaciones demuestran que las moléculas de ARN presentes de forma natural también pueden adoptar grandes y complejas geometrías, como filamentos y estructuras en forma de jaula. Ahora, los científicos se preguntan si estas estructuras estaban presentes en los inicios de la vida.
Según la hipótesis del mundo de ARN, las formas de vida basadas en ARN precedieron a las modernas que utilizan ADN y proteínas. El ARN, un pariente molecular del ADN, aún desempeña funciones en las células modernas, pero no constituye el material genético principal. En comparación, las especies primigenias utilizaban el ARN para almacenar información genética y para catalizar reacciones actuando como enzimas sustitutas.
Las proteínas acabaron imponiéndose como enzimas, quizás porque pueden plegarse en estructuras más diversas que el ARN. Esto se debe a que las proteínas están compuestas por 20 tipos de subunidades, llamadas aminoácidos, cada una con una estructura única, mientras que el ARN está compuesto por solo cuatro subunidades, llamadas nucleótidos, que adoptan formas similares.
Imagen: La hipótesis del mundo de ARN propone que la polimerización espontánea de ribonucleótidos dio lugar a la aparición de ribozimas, incluyendo una ARN replicasa.
Los científicos pensaban inicialmente que solo las proteínas eran lo suficientemente variadas como para ensamblarse en grandes estructuras, pero un nuevo artículo ha demostrado que el ARN, aunque más limitado en su variedad, también tiene la capacidad de formar estas grandes configuraciones.
"Demostramos que el ARN puede hacer cosas que nunca habíamos visto antes", dijo Lin Huang, coautor del estudio y biólogo especializado en ARN de la Universidad Sun Yat-Sen en China. "Esto sugiere que, en el origen de la vida, el ARN podía ensamblarse en todo tipo de formas", dijo.
Huang y sus colegas habían planteado la hipótesis de que las moléculas de ARN podrían unirse entre sí si poseían secuencias que se plegaran formando "bucles de tallo entrelazados". Esto ocurre cuando una cadena de ARN se pliega sobre sí misma, formando una estructura similar a un lazo en un cordón de zapato. Si los lazos de diferentes ARN se unen, o "se besan", las moléculas podrían enlazarse y formar complejos más grandes, propusieron los investigadores.
Tras examinar una gran cantidad de secuencias de ARN, los investigadores encontraron una familia de moléculas de ARN codificadas por bacteriófagos —virus que infectan bacterias— que forman estos bucles. En el laboratorio, purificaron varias de estas moléculas de ARN, permitieron que se ensamblaran en una placa de cultivo y, a continuación, capturaron sus estructuras mediante microscopía crioelectrónica.
Descubrieron que algunas de las moléculas de ARN formaban largos filamentos. Estos se parecían a filamentos basados en proteínas, como el citoesqueleto celular, una estructura que participa en muchas funciones, incluyendo la formación y el movimiento de la célula.
Otras moléculas de ARN se ensamblaron formando estructuras tan grandes como virus comunes. Algunas de ellas adoptaron la forma de un icosaedro, una figura tridimensional formada por 20 triángulos equiláteros que se asemeja a un balón de fútbol. Muchos virus, incluidos los herpesvirus, empaquetan su genoma en icosaedros proteicos llamados cápsides. Esto plantea una pregunta: ¿Podrían las cápsides basadas en ARN haber empaquetado genomas en el mundo del ARN?
Imagen: Las estructuras de ARN se ensamblan formando icosaedros tan grandes como las cápsides de los virus basados en proteínas. (Crédito de la imagen: Lin Huang)
Este trabajo demuestra que el ARN tenía la capacidad de ensamblarse en estas elaboradas estructuras durante el mundo del ARN, dijo Huang, pero eso no prueba que realmente haya sucedido.
"Sin duda, creo que los parámetros ambientales son un importante factor", declaró Anna Medvegy, bióloga evolutiva de la Universidad Eötvös Loránd de Hungría. "¿Pueden formarse estas estructuras en el entorno en el que existía el hipotético mundo de ARN?", dijo Medvegy, quien no participó en el nuevo estudio.
Si los científicos pudieran recrear estas condiciones ambientales de los albores de la vida, como las altas temperaturas y el bajo pH, y aun así observar que toman forma estas estructuras, eso reforzaría la teoría de que podrían haber estado presentes en el mundo del ARN, dijo.
Aunque las estructuras y filamentos de ARN eran grandes, el equipo de Huang los generó utilizando únicamente cadenas cortas de ARN, cada una de las cuales no superaba las 200 subunidades. Medvegy afirmó que los ARN largos son susceptibles de romperse, por lo que si las cadenas cortas pueden ensamblarse en estas estructuras, eso ofrece más posibilidades de que estas moléculas de múltiples niveles se hayan formado en el mundo del ARN.
Otra cuestión es si estos complejos de ARN elaborados se ensamblan actualmente dentro de las bacterias infectadas por bacteriófagos de las que se derivaron. Hasta ahora, el equipo de Huang solo ha visto estas estructuras formarse en una placa de laboratorio, por lo que necesitan determinar si factores dentro de las bacterias, como las proteínas, interrumpirían o permitirían su formación dentro de las células.
Más allá de proporcionar información sobre los inicios de la vida, estas jaulas de ARN podrían tener potenciales aplicaciones en biotecnología, piensa Huang. Se están realizando esfuerzos para utilizar el ADN plegado en "origami de ADN" para administrar medicamentos a las células, y Huang cree que el primo mayor del ADN, el ARN, algún día podría desempeñar un papel similar en la medicina.
La investigación se publicó en el servidor de preimpresiones bioRxiv el 1 de julio y aún no ha sido revisada por pares: Structural assemblies for an RNA world
