La ciencia escarba en la raíz del árbol de la vida

Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, en Estados Unidos, están aprovechando información que se encuentra en las células de toda la vida en la Tierra y que sirve para trazar la evolución de la vida con el fin de estudiar la raíz del árbol de la vida, hace 3.800 millones de años. Financiados por la NASA, estos expertos han aprendido que la vida es una taquígrafa maestra en la escritura, reescritura y grabación de su historia en las estructuras biológicas complejas.

Algunas de las claves para desbloquear el origen de la vida se hallan encriptadas en el ribosoma, el conjunto más antiguo de la vida y más universal de las moléculas. El ribosoma de hoy convierte la información genética (ARN) en proteínas que llevan a cabo diversas funciones en un organismo, pero el propio ribosoma ha cambiado con el tiempo.

Su historia muestra cómo moléculas simples unieron sus fuerzas para inventar la biología y su estructura actual registra antiguos procesos biológicos que se produjeron en la raíz del árbol de la vida, hace unos 3.800 millones de años.

Mediante el examen de las variaciones en el ARN ribosomal en las células modernas, los científicos pueden visualizar la cronología de la vida muy atrás en la historia, especificando estructuras moleculares, reacciones y eventos cerca de los orígenes bioquímicos de la vida.

«La biología es un gran guardián de los registros --dice Loren Williams, profesor en la Escuela Técnica de Química y Bioquímica de Georgia e investigador principal del Centro para la Adaptación y Evolución del Ribosoma 2009-2014 de Geogia Tech en el Instituto de Astrobiología de la NASA--. Estamos pensando cómo leer algunos de los registros más antiguos de la biología para entender los procesos pre-biológicos, el origen de la vida y la evolución de la vida en la Tierra».

Al igual que los anillos en el tronco de un árbol, el ribosoma contiene componentes que funcionaban desde el principio de su historia. El centro del tronco registra la juventud del árbol y los anillos sucesivos representan cada año de la vida del árbol, con la capa más externa registrando el presente. Del mismo modo que el núcleo del tronco de un árbol no ha cambiado con el tiempo, todos los ribosomas modernos contienen un núcleo común que data de hace 3.800 millones de años y que es el mismo en todos los organismos vivos, incluyendo los seres humanos.

«El ribosoma registró su historia --apunta Williams--. Es acreción y se hizo más grande y más grande con el tiempo. Pero las partes más antiguas se congelaron continuamente después de que se adhirieron, al igual que los anillos de un árbol. A pesar de todo lo largo que vivan los árboles, los anillos interiores no cambian. El núcleo del ribosoma es más antiguo que la biología, producido por procesos evolutivos que todavía no entendemos muy bien».

Explotar esta capacidad de mantenimiento de registros de los ribosomas revela cómo la biología ha cambiado con el tiempo, pero también puede apuntar a las condiciones ambientales de la Tierra en la que que la biología evolucionó y ayudar a aportar información en la búsqueda de vida en otros lugares del Universo.

«Este trabajo nos permite mirar atrás en el tiempo más allá de la raíz del árbol de la vida --el antepasado de todas las células modernas--, hasta un momento en que las proteínas y los ácidos nucleicos aún no se había convertido en la base de toda la bioquímica --detalla Carl Pilcher, director del Instituto de Astrobiología de la NASA--. Nos ayuda a entender algunas de las primeras etapas en el desarrollo de la vida en la Tierra y podemos orientar nuestra búsqueda de ambientes extraterrestres donde la vida pudo haberse desarrollado».

Mediante rebobinado, ingeniería inversa y reproducción de esa antigua cinta ribosomal, los investigadores están descubriendo los secretos de la creación y están respondiendo a preguntas existenciales fundamentales acerca de nuestro lugar en el Universo, como explican los autores en un artículo que se publica este lunes en ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’.

Mediante el estudio de más adiciones a los ribosomas, el equipo de investigación halló «huellas moleculares» que muestran dónde se hicieron inserciones, lo que les permite discernir las reglas por las que creció. Usando una técnica que ellos llaman método comparativo estructural, lograron modelar el desarrollo del ribosoma en gran detalle.

«Al coger ribosomas de una serie de especies --los seres humanos, la levadura, varias bacterias y arqueas-- y mirar las partes exteriores que son variables, vimos que había reglas muy específicas que rigen la forma en que cambian --detalla Williams--. Tomamos esas reglas y las aplicamos a la base común, lo que nos permitió ver todo el camino de vuelta a los primeros pedazos de ARN».

Algunas pistas en el camino ayudaron. Por ejemplo, aunque el ARN es ahora responsable de la creación de proteínas, la vida muy temprana no tenía proteínas. En busca de las regiones del ribosoma que no contienen proteínas, los expertos pudieron determinar que los elementos existían antes de la llegada de las proteínas. «Una vez que el ribosoma obtuvo una cierta capacidad, cambió su naturaleza», afirma Williams.

Si bien el núcleo ribosomal es el mismo en todas las especies, lo que ha añadido en la cumbre difiere. Los seres humanos tienen el mayor ribosoma, que abarca unos 7.000 nucleótidos que representan un crecimiento espectacular desde el centenar de pares de bases en el principio. «Lo que estamos hablando es de pasar de oligómeros cortos, piezas cortas de ARN, a la biología que vemos hoy --señala Williams--. El aumento en el tamaño y la complejidad es alucinante».

Más allá de la comprensión de cómo se produjo la evolución, este conocimiento del desarrollo del ribosoma podría tener aplicaciones más prácticas para la salud hoy en día. «El ribosoma es uno de los objetivos principales de los antibióticos, por lo que entender su arquitectura a lo largo de biología podría ser de gran beneficio --apunta Williams--. Mediante el estudio de los ribosomas, podemos empezar a pensar en la biología de una manera diferente. Podemos ver la relación simbiótica entre el ARN y las proteínas».