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jueves, 8 de noviembre de 2012

Vida = Nutrición + Relación + Reproducción + Evolución + ... Cooperación

La bacteria Azoarcus tolulyticus. Fuente: Microbezoo


De niños nos suelen enseñar que las funciones básicas de la vida son la nutrición, la relación y la reproducción. Posteriormente aprendemos que además hay que añadir la evolución. Bueno, pues hay un nuevo término en la ecuación: la cooperación.

Cuando en un contexto biológico nos hablan de cooperación inmediatamente pensamos en las simbiosis como la del cangrejo ermitaño y la anémona, o la formada entre hongos y algas en los líquenes. También podemos pensar en términos cooperativos cuando hablamos de la evolución desde los organismos unicelulares a los multicelulares. Estos últimos presentan diversas ventajas adaptativas como por ejemplo la división de tareas: tubo digestivo, neuronas, músculo, gametos, etc. Incluso podemos llegar a pensar en cooperación y reparto de tareas a nivel intracelular. Así, el DNA porta la información genética, las proteínas son las que levan a cabo las reacciones catalíticas, y los lípidos los que forman membranas. Esta claro que la cooperación permite el desarrollo de la complejidad.

Es evidente que un ser vivo "hace" una serie de cosas que lo diferencian de la materia inanimada. Así que es lógico asumir que el primer ser vivo que apareció en este planeta hace unos cuantos miles de millones de años también hacia lo mismo que los actuales. Pues bien, parece ser que también presentaba la capacidad de "cooperación" como una propiedad intrínseca.

Uno de los actuales hipótesis que intentan explicar cómo pudo surgir la vida en este planeta es la conocida como "mundo RNA". La molécula de RNA es capaz de realizar dos funciones vitales al mismo tiempo: puede almacenar información genética y puede realizar funciones catalíticas como ribozimas. Durante un periodo de la historia de este planeta había moléculas de RNA capaces de auto-replicarse y que mutaban evolucionando hacia formas con una mayor eficacia autorreplicativa. Con el tiempo el papel de guardián de la información genética pasó al DNA y las funciones catalíticas a las proteínas. El RNA se quedó como una especie de Caronte conectando a ambos mundos (o de "chico de las fotocopias" si queremos expresarlo de manera más prosaica).

Sic transit gloria mundi a escala molecular. Origen de la imagen: Universidad Berkeley


Evidentemente, aún quedan muchas lagunas por rellenar en esa hipótesis. Se comienza a entender como pudo haber sido la química prebiótica que diera lugar a los nucleótidos, los monómeros del RNA, y como estos podrían haber formado pequeños polímeros. A nivel experimental, la selección del RNA más eficiente en un proceso de replicación fue comprobada gracias a los experimentos con el fago Qb realizados por Manfred Eigen y su grupo. Simplemente ponían en un tubo unas cuantas moléculas de RNA con diferentes secuencias, replicasa del fago y nucleótidos. Según las condiciones de replicación unas veces la secuencia más eficiente era una y otras veces era otra. Era un ejemplo perfecto de Selección Natural bioquímica en un tubo de ensayo. El pequeño RNA viral se comportaba como un auténtico "gen egoista".

El significado evolutivo de los experimentos de Manfred Eigen. Tenemos una población diversa de moléculas de RNA (1). Se seleccionan aquellas capaces de hacer alguna función (2) y se replican (3). Poco a poco se va consiguiendo que toda la población de RNAs tengan la misma secuencia y funcionalidad (4 y 5). Hacer CLICK en la imagen para ampliarla. Origen de la imagen: Universidad Berkeley


En los experimentos de Eigen, el RNA no se auto-replica, necesita una enzima de naturaleza proteica. Y aquí es donde aparece un problema por ahora no resuelto. Un RNA con actividad de ribozima capaz de auto-replicarse requiere una molécula larga y compleja, mucho más de lo que parece posible con los actuales conocimientos de química prebiótica. Además hay otro problema, un RNA auto-replicante debe poseer una tasa de mutación lo suficientemente baja como para no perder la información que porta y al mismo tiempo competir por los recursos contra otros RNAs "parásitos" que se puedan aprovechar de sus habilidades.

Un reciente trabajo publicado en Nature parece haber encontrado una respuesta al problema. En el escenario propuesto, los RNAs auto-replicantes no solo hacen copias de si mismos (egoísmo molecular), sino que también son capaces de actuar sobre otros "RNA replicadores" estableciendo un hiperciclo. Esa propiedad física surge de manera espontánea, no hace falta diseñar a las moléculas para que lo hagan. El sistema experimental utilizado ha sido una ribozima de la bacteria Azoarcus, que tiene la capacidad de autoensamblarse cuando es fragmentada. Esta ribozima puede mutarse de manera que puede haber variantes "egoístas" que sólo autoensamblan los fragmentos suyos y no los de otra variante. O también pueden aparecer diferentes variantes de fragmentos de dicha ribozima que pueden actuar de forma cooperativa sobre otras variantes. Es decir, la ribozima 1 ayuda al ensamblaje de la ribozima 2, la cual actúa sobre el ensamblaje de la ribozima 3 y esta a su vez ayuda al ensamblaje de la ribozima 1.

La aparición de un hiperciclo. a, Una molécula replicadora primordial (R) aumenta su propio autoensamblaje a partir de moléculas usadas como sustrato (S) en un ciclo autocatalítico simple (comportamiento replicativo egoista). a Como la replicación es imperfecta aparecen mutaciones lo que significa que la molécula original se diversifica y tendremos un grupo de moléculas autorreplicantes relacionadas entre si, cada una promoviendo su propia síntesis, pero también la de las otras. La introducción de preferencias (bias) en la especificidad de los replicadores da estructura a la red y puede llevar a subsistemas egoístas (c) o a hiperciclos cooperativos (d). Esos hiperciclos son autocatalíticos desde un punto de vista global, pero son mucho más resistentes a la acumulación de mutaciones, permitiendo a los replicadores especializarse y adquirir nuevas funciones. Las flechas rojas gruesas indican incremento de eficacia en el ensamblaje de los replicadores, las flechas punteadas decrecimiento. Fuente: Nature


Lo que han encontrado es que si se establece uno de esos hiperciclos cooperativos, los RNAs que forman parte de ellos pueden desplazar por completo a los RNAs que sólo se autoensamblan de manera egoísta. Es decir, la cooperación molecular entre fragmentos pequeños de RNA puede ayudar a la aparición de más largos y complejos RNAs. Y esto es una propiedad física intrínseca a este tipo de sistemas autoorganizativos. Como siempre ocurre en Ciencia, una buena respuesta genera un montón de nuevas preguntas. Por ejemplo ¿cómo estas redes cooperativas se desarrollan en el tiempo? ¿la complejidad de un hiperciclo aumenta con la eficiencia que muestra, o se simplifica? ¿cómo interaccionaban esos RNA prebióticos con otras moléculas de su entorno? ¿cómo competían con otros RNAs? y evidentemente ¿cómo surgió el primer hiperciclo de RNAs?

Diseño de ribozimas con actividad recombinasa capaces de realizar un ensamblaje covalente cooperativo de forma espontánea a partir de fragmentos. A la izquierda se muestra la estructura secundaria de la ribozima de Azoarcus que puede ser fragmentada en tres regiones para obtener así cuatro oligómeros (X, W, Y, Z) capaces de autoensamblarse en una sola molécula de longitud completa. A la derecha se muestra la estructura tridimensional de dichos fragmentos y de la ribozima completa una vez ensamblada. El ensamblaje puede ser de forma espontánea (self-assembly), pero una vez realizado la ribozima ayuda a que se ensamblen más fragmentos de manera más rápida. Fuente: Vaidya et al. Nature.


¿Y por qué tienen que ser tres ó más los componentes de un hiperciclo para que esté funcione mejor? Se pueden establecer hiperciclos de dos. Por ejemplo, la ribozima 1 ayuda a ensamblarse a la ribozima 2 que a su vez ayuda al ensamblaje de la ribozima 1. Un hiperciclo tan simple también es estable. Y si dejamos actuar a la evolución lo que se encuentra es que la recombinación comienza a jugar un papel y pueden aparecer moléculas que sean más eficientes en la replicación que las originales. El problema con dos componentes es que hay una restricción ya que nunca se puede dejar de lado las propiedades de auto-replicación y de ribozima, así que el sistema es bastante sensible al efecto de mutaciones que degraden la información genética y que no permitan una de las dos funciones. Un hiperciclo de tres o más componentes permite que haya un mayor número de combinaciones, y por lo tanto más grados de libertad y menor riesgo de que la mutación pueda hacer perder una de las dos propiedades. No solo eso, al haber más jugadores se permite la posibilidad de que incluso aparezcan nuevas propiedades. Es decir, puede empezar a aparecer el reparto de tareas a nivel molecular.

Experimento en el que se hace competir a sistemas "egoístas" (líneas rojas) contra un sistema cooperativo (líneas verdes). El rendimiento de RNA total W•X•Y•Z mide si un sistema es mejor que otro en unas determinadas condiciones. Si los subsistemas se incuban de manera separada (líneas quebradas rojas y verdes) se favorece el comportamiento egoísta. Pero cuando se ponen todos los subsistemas juntos en el mismo tubo (líneas continuas rojas y verdes), lo que ocurre es que el sistema cooperativo es el que compite mejor. Fuente: Vaidya et al. Nature.


Los autores sugieren que el establecimiento de estas redes cooperativas podrían permitir la síntesis de pequeños RNAs gracias a la acción de una ribozima, y a su vez estos pequeños RNAs podrían permitir la replicación de dicha ribozima. Una ventaja de este tipo de sistemas es que no requiere que haya enlaces covalentes para desarrollar grandes estructuras macromoleculares.

Enlaces relacionados: El dilema del prisionero, la cooperación molecular y el origen de la vida en Francis (th)E mule Science's News.

Esta entrada participa en el XXXVI carnaval de la Física que aloja Gravedad Cero, en el XIX carnaval de la Química que aloja Leet Mi Explain y en el XVIII carnaval de la Biología alojado en Ameba Curiosa

ResearchBlogging.org

Attwater J, & Holliger P (2012). Origins of life: The cooperative gene. Nature, 491 (7422), 48-9 PMID: 23075847

Vaidya N, Manapat ML, Chen IA, Xulvi-Brunet R, Hayden EJ, & Lehman N (2012). Spontaneous network formation among cooperative RNA replicators. Nature, 491 (7422), 72-7 PMID: 23075853