Un átomo de oxígeno en el ARN facilita la formación de gotas y redes

Una mínima variación química entre el ARN y el ADN podría explicar cómo surgieron los primeros sistemas biológicos. Investigadores han determinado que un átomo de oxígeno adicional, repetido a lo largo de la cadena vertebral del ARN, altera radicalmente su comportamiento. Esta característica favorece que el ARN se agrupe en gotas densas con forma líquida, proceso que ocurre con mucha mayor facilidad que en cadenas comparables de ADN. Dichas estructuras pueden evolucionar incluso hacia redes interconectadas de aspecto gelatinoso.

Aunque estas conclusiones siguen siendo especulativas, podrían resolver una pieza clave del rompecabezas: cómo las frágiles moléculas de ARN lograron concentrarse y organizarse antes de la existencia de las células. La vida enfrenta un problema fundamental de contención. Cada célula moderna está envuelta por una membrana que mantiene las moléculas útiles cerca, separa la química interna del entorno externo y permite reacciones eficientes. Sin esta barrera, no hay célula.

El desafío de la concentración molecular

Los investigadores que estudian los orígenes de la vida enfrentan dificultades al imaginar la biología precelular. Una teoría influyente, conocida como la hipótesis del mundo de ARN, sugiere que este ácido nucleico desempeñó un papel central antes de que el ADN y las proteínas asumieran sus funciones actuales. El ARN es un candidato plausible porque cumple dos roles que los organismos modernos dividen entre distintas moléculas: transporta información genética, similar al ADN, y ciertas variantes catalizan reacciones químicas, como la construcción de proteínas.

No obstante, esto genera otro obstáculo. Una molécula útil de ARN flotando sola en un vasto cuerpo de agua tendría pocas probabilidades de encontrarse repetidamente con otras moléculas necesarias. Además, el ARN es químicamente menos estable que el ADN. Por tanto, las moléculas funcionales debían concentrarse de alguna manera. Una posible respuesta es la separación de fases, un proceso técnico equivalente a cuando el aceite se separa del agua formando gotas. Las biomoléculas pueden hacer algo similar, creando gotas densas dentro de una solución más diluida.

Estas estructuras se denominan condensados biomoleculares. A diferencia de las células, no requieren una membrana envolvente. Las células modernas utilizan extensamente estos condensados, y los científicos han propuesto que versiones más simples podrían haber ayudado a organizar la química en la Tierra primitiva.

Diferencias estructurales y comportamiento térmico

En 2023, un equipo liderado por Priya Banerjee, física de la Universidad de Buffalo, demostró que varios tipos de ARN podían formar gotas por sí mismos al calentarse en soluciones con iones de magnesio. Este hallazgo fue sorprendente porque el calor suele ayudar a disolver mezclas, pero estas moléculas hicieron lo contrario: por encima de cierta temperatura, se separaron de la solución circundante y se agruparon en una fase densa.

El nuevo estudio planteó una pregunta aparentemente simple: ¿por qué el ARN es tan eficiente en este proceso? Los investigadores compararon el ARN con ADN monocatenario que portaba esencialmente la misma secuencia. Ambas moléculas son notablemente similares, compuestas por “letras” genéticas unidas a una columna vertebral repetitiva de azúcar y fosfato. Sin embargo, sus azúcares difieren en una posición específica.

El ARN contiene ribosa, donde el segundo carbono posee un grupo hidroxilo (escrito químicamente como 2′-OH). El ADN contiene desoxirribosa, que tiene solo un hidrógeno en esa misma posición. Ese cambio mínimo tuvo un efecto grande. Bajo las condiciones experimentales, las cadenas comparables de ARN comenzaron a formar condensados a temperaturas aproximadamente 10 grados Celsius más bajas que el ADN. Esto indica que el ARN tiene una tendencia sustancialmente mayor a separarse en gotas.

Mecanismos de organización prebiótica

“Estos hallazgos revelan, por primera vez, cómo cambios extremadamente pequeños en la química molecular pueden controlar la aparición de estructuras biomoleculares autoorganizadas mucho más grandes, como los condensados de ARN”, declaró Banerjee en un comunicado de la Universidad de Buffalo.

Mediante microscopía, mediciones de rayos X y simulaciones moleculares, el equipo descubrió que el grupo 2′-OH altera la interacción del ARN con el agua y el magnesio. Al aumentar la temperatura, el ARN expulsaba parte del agua circundante con mayor facilidad que el ADN. Los iones de magnesio podían entonces ayudar a atraer las cadenas de ARN, permitiendo la formación de gotas densas. Estas gotas también podían desarrollarse en redes interconectadas tipo gel. El ADN era mucho menos propenso a ambos comportamientos.

Gable Wadsworth, primer autor del estudio, señaló: “Este único grupo que contiene oxígeno en el azúcar del ARN tiene un efecto sorprendentemente poderoso sobre si estas moléculas se reúnen, permanecen dinámicas o quedan atrapadas en un material similar a un gel”. Este mecanismo podría ser crucial para entender el origen de la vida, ya que sugiere una vía por la cual las moléculas útiles se concentraron antes de que existieran las células.

Bajo la hipótesis del mundo de ARN, este ácido jugó roles genéticos y químicos antes de la dominancia del ADN y las proteínas. Las moléculas individuales dispersas en aguas antiguas tendrían pocas oportunidades de interactuar repetidamente. Los condensados ofrecen una solución posible. Aunque no es una hipótesis probada, resulta plausible. Banerjee concluyó que estos hallazgos podrían permitir abordar preguntas más profundas, como si estos condensados ayudaron a cerrar la brecha entre moléculas simples y las primeras formas de vida. El estudio sugiere que el ARN poseía una tendencia química intrínseca a organizarse, algo que el ADN carece en igual medida.