Descubren origen de las estructuras de proteínas, base de la vida en la Tierra

Investigadores de la Universidad de Rutgers descubrieron los orígenes de las estructuras de proteínas que controlan el metabolismo: moléculas simples que impulsaron la vida temprana en la Tierra y sirven de señales químicas que se podrían usar para buscar vida en otros planetas.

Su estudio, que predice cómo eran las primeras proteínas hace entre 3 mil 500 y 2 mil 500 millones de años, se publica en la revista Proceedings, de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos.

Los científicos analizaron, como un rompecabezas de miles de piezas, sobre la evolución de las enzimas (proteínas) desde el presente hasta el pasado remoto. La solución requería dos piezas faltantes, y la vida en la Tierra no podría existir sin ellas. Al construir una red conectada por sus roles en el metabolismo, el equipo las descubrió.

"Sabemos muy poco acerca de cómo comenzó la vida en nuestro planeta. Este trabajo nos permitió vislumbrar en el tiempo y proponer las primeras proteínas metabólicas", explicó Vikas Nanda, coautor del trabajo y profesor de bioquímica y biología molecular en la Escuela de Medicina Robert Wood Johnson de Rutgers y miembro residente de la facultad del Centro de Biotecnología y Medicina Avanzada.

“Nuestras predicciones serán probadas en el laboratorio para comprender mejor los orígenes de la vida en la Tierra e informar cómo puede originarse en otros lugares –añade–. Construimos modelos de proteínas en el laboratorio y probamos si pueden desencadenar reacciones críticas para el metabolismo temprano”.

Un equipo de científicos dirigido por Rutgers llamado Enigma (Evolution of Nanomachines in Geospheres and Microbial Ancestors) realiza investigación con una subvención del Programa de Astrobiología de la NASA. El proyecto busca revelar el papel de las proteínas más simples que catalizaron las primeras etapas de la vida.

"Creemos que la vida surgió a partir de bloques de construcción muy pequeños, como un conjunto de Lego para hacer células y organismos más complejos como nosotros", señaló Paul G. Falkowski, autor principal del estudio, investigador de Enigma y profesor distinguido en la Universidad de Rutgers-New Brunswick, quien lidera el Laboratorio de Biofísica Ambiental y Ecología Molecular.

"Creemos que hemos encontrado los componentes básicos de la vida: el conjunto de Lego que condujo, en última instancia, a la evolución de las células, los animales y las plantas", agregó.

El equipo de Rutgers se centró en dos "pliegues" de proteínas que probablemente sean las primeras estructuras en el metabolismo temprano. Son uno de ferredoxina que une compuestos de hierro y azufre, y otro Rossmann, que une nucleótidos (los bloques de construcción de ADN y ARN). Estas son dos piezas del rompecabezas que deben encajar en la evolución de la vida.

Las proteínas son cadenas de aminoácidos y la ruta 3D de una cadena en el espacio se llama pliegue.

Por Europa Press

El físico y biólogo británico Francis Crick (1916-2004), Premio Nobel de Medicina (junto con James Watson) en 1962 por el descubrimiento de la estructura del ADN, uno de los impulsores de la teoría de la panspermia. Marc Lieberman – Siegel RM, Callaway EM

 El estudio recién publicado expone que cuando algunos meteoritos se estrellaron contra la Tierra transportaban azúcar extraterrestre.

Para evitar que los seguidores del escritor de ciencia ficción Ray Bradbury se vengan arriba, conviene aclarar que los autores de la investigación, entre los que se cuentan dos sesudos científicos de la Nasa, no han encontrado un saco de azúcar de mesa, sino trazas de azúcares, como ribosa, en muestras de polvo obtenidas de dos meteoritos. En total, 11 partes por mil millones (ppmm) en el meteorito NWA 801 y 180 ppmm en el Murchison.

El ARN es una biomolécula presente en todos los organismos conocidos, y la ribosa es uno de sus componentes fundamentales. El ARN es responsable de copiar la información genética almacenada en el ADN y de entregar esos datos a las estructuras celulares responsables de producir las proteínas que los organismos necesitan para vivir.

Esta es la primera vez que estos azúcares bioesenciales se han detectado en meteoritos. En otros fragmentos de cuerpos celestes se hallaron anteriormente algunos componentes básicos importantes de la vida, como aminoácidos y nucleótidos (componentes del ADN y ARN), pero nunca azúcares. Hasta ahora.

El hallazgo llega diez años después de que una página la Nasa  anunciara que la glicina, uno de los 20 aminoácidos que forman las proteínas y, por tanto, un ingrediente clave para la vida, había sido detectada en muestras de polvo recogidas por la sonda espacial Stardust cuando se acercó a tan solo 236 km del núcleo del cometa Wild 2. Las muestras de polvo de la cola llegaron encapsuladas a la Tierra en enero de 2006, culminando así el viaje de más de 5 000 millones de kilómetros.

La cuestión del origen de la vida terrestre ha generado un campo de estudio especializado de la astrobiología, cuyo objetivo es dilucidar cómo y cuándo surgieron los primeros compuestos orgánicos y cómo pudieron ensamblarse para formar las primeras y más sencillas células, las de procariotas como las bacterias.

Las hipótesis más aceptadas por la comunidad científica asumen que la vida surgió en la Tierra a partir de materia inorgánica terrestre en algún momento entre hace 4 500 millones de años (MA), cuando se dieron las condiciones para que el vapor de agua pudiera condensarse por primera vez, y 2 700 MA, cuando la proporción entre algunos isótopos estables de carbono, hierro y azufre induce a pensar en un origen biogénico de los minerales y sedimentos de esa época. Los biomarcadores moleculares indican que ya existía la fotosíntesis.

Frente a estas hipótesis, otros científicos, partidarios de las hipótesis exogenéticas reunidas bajo el nombre de “panspermia”, apoyan un origen extraterrestre de la vida. Este habría tenido lugar durante los últimos 13 700 MA de evolución del universo tras la explosión primigenia del Big Bang.

La palabra panspermia, de origen griego, significa “semillas por todas partes”. Los partidarios de esta hipótesis sugieren que las “semillas” de la vida están diseminadas por todo el universo y que fueron “sembradas” en nuestro planeta.

No es mi propósito hacer una revisión de los diferentes modelos en que se ramifica –a veces disparatadamente, con sus ingenieros extraterrestres y todo– el cuerpo doctrinal panspérmico. Los interesados encontrarán cumplida respuesta a su curiosidad en este enlace o, simplemnte, tecleando en el buscador “polvo de estrellas”.

Un clarificador resumen del origen de la llamada “panspermia dirigida”, tal y como fue formulada por el Premio Nobel Francis Crick en 1971, puede encontrarse en el libro de Javier Sampedro Deconstruyendo a Darwin (Crítica, 2007).

Para lo que aquí nos ocupa, en relación con los recientes hallazgos, interesa distinguir entre las dos variantes principales en que puede ser escindida la panspermia: celular y molecular.

La hipótesis de la panspermia celular sostiene un origen de la vida terrestre a partir de microorganismos extremófilos. Estos se habrían formado en algún lugar del universo para llegar hasta la Tierra viajando como polizones en algún asteroide o cometa que hubiera impactado sobre su superficie.

Los partidarios de la panspermia molecular también defienden que la vida terrestre surgió gracias a una lluvia de materiales procedente de asteroides y cometas que se precipitó sobre la Tierra primitiva. Esto trajo consigo moléculas orgánicas relativamente complejas, pero sin alcanzar el sofisticado nivel celular.

Quienes sostienen esta segunda hipótesis la apoyan en el hecho de que los componentes orgánicos son comunes en el espacio, especialmente en el sistema solar exterior, donde las sustancias volátiles no se evaporan por calentamiento.

Las pruebas más sólidas de esta hipótesis se encuentran en las muestras de moléculas orgánicas halladas en algunos meteoritos como el AH84001 encontrado en la Antártida en 1984, que fueron objeto de fuertes controversias en las revistas Science y Geochimica et Cosmochimica Acta, y del propio meteorito Murchison, encontrado en Australia en 1969, cuyas biomoléculas han sido objeto de varias publicaciones.

Además, el telescopio espacial Spitzer detectó la década pasada una estrella, la HH46-IR, que se está formando en un proceso similar al Sol, en cuyo halo material hay una gran variedad de moléculas que incluyen compuestos de cianuro, hidrocarburos e hidróxido de carbono. Los hallazgos del Spitzer parecen apoyar el origen de la vida a partir de hidrocarburos aromáticos policíclicos, como sostiene la hipótesis PAH World, propuesta por Simon Nicholas Platts en 2005, que hasta ahora no ha sido probada.

Aunque ninguna de las dos variantes de la panspermia resuelve el problema del origen de la vida, sino que despeja al graderío del universo la enigmática pelota que se juega sobre la Tierra, son los científicos partidarios de la panspermia molecular los que ven reforzadas sus posiciones gracias al hallazgo de la Stardust y del estudio que acaba de publicarse.

En cualquier caso, y por quitarle hierro al asunto, si quiere divertirse leyendo modelos alternativos desde un punto de vista excéntrico, pero bien fundamentado, no deje de leer el libro Los orígenes de la vida (Cambridge University Press, 1999), del físico, matemático y divulgador inglés Freeman J. Dyson. Les encantará, seguro.

 

Por MANUEL PEINADO LORCA

CATEDRÁTICO DE UNIVERSIDAD. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA VIDA E INVESTIGADOR DEL INSTITUTO FRANKLIN DE ESTUDIOS NORTEAMERICANOS, UNIVERSIDAD DE ALCALÁ

Este artículo ha sido publicado originalmente en The Conversation

 

En la lengua también hay receptores del olfato que ayudan a detectar los sabores

Estudio abre el camino para desarrollar modificadores contra el exceso de uso de sal, azúcar y grasa

Científicos del Centro Monell, en Filadelfia, Estados Unidos, informaron que los receptores olfativos funcionales, sensores que detectan los aromas en la nariz, también se encuentran en las células del gusto humano que están en la lengua. Los hallazgos sugieren que las interacciones entre esos sentidos, los componentes principales del sabor de los alimentos, pueden comenzar en la lengua y no en el cerebro, como se pensaba.

"Nuestra investigación puede ayudar a explicar cómo las moléculas de olor modulan la percepción del gusto", señaló Mehmet Hakan Ozdener, autor principal del estudio y biólogo celular en Monell.

"Esto puede llevar al desarrollo de modificadores del gusto basados en el olor que pueden ayudar a evitar el excesivo consumo de sal, azúcar y grasa en enfermedades relacionadas con la dieta, como la obesidad y la diabetes", planteó.

Aunque muchas personas equiparan el sabor con el gusto, el primero proviene más del olor en la mayoría de los alimentos y bebidas. El gusto, que detecta moléculas dulces, saladas, agrias, amargas y sabrosas en la lengua, evolucionó como un guardián para evaluar el valor nutritivo y la potencial toxicidad de lo que comemos.

El olfato proporciona información detallada sobre la calidad del sabor de los alimentos. El cerebro combina el aporte del gusto, el olfato y otros sentidos para crear la sensación multimodal de sabor.

Hasta ahora, el gusto y el olfato se consideraban sistemas sensoriales independientes que no interactuaban hasta que su información respectiva llegaba al cerebro. A Ozdener le motivó desafiar esta creencia cuando su hijo de 12 años le preguntó si las serpientes extendían sus lenguas para oler.

Moléculas claves

En el estudio, publicado en línea en Chemical Senses, Ozdener y sus colegas utilizaron métodos desarrollados en Monell para mantener células vivas del gusto humano en cultivo. Con técnicas genéticas y bioquímicas para estudiarlas, los investigadores encontraron que las células gustativas humanas contienen muchas moléculas claves que se sabe que están presentes en los receptores olfativos.

Entonces, utilizaron un método conocido como imágenes de calcio para mostrar que las cultivadas responden a las moléculas de olor de manera similar a las células receptoras olfativas. Juntos, los hallazgos proporcionan la primera demostración de receptores olfativos funcionales en células gustativas humanas, lo que sugiere que pueden desempeñar un papel en el sistema del gusto al interactuar con las células receptoras de éste en la lengua.

Apoyando esta posibilidad, otros experimentos realizados por los científicos de Monell demostraron que una sola célula gustativa puede contener de los dos tipos de receptores. "La presencia de ellos en la misma célula brindará oportunidades interesantes para estudiar las interacciones entre el olor y los estímulos del gusto en la lengua", subrayó Ozdener.

Además de proporcionar información sobre la naturaleza y los mecanismos de las interacciones del olfato y el gusto, los resultados también pueden dar una herramienta para aumentar la comprensión de cómo el sistema olfativo detecta los aromas.

Los científicos aún no saben qué moléculas activan la gran mayoría de los 400 tipos de receptores olfativos humanos funcionales. Debido a que las células gustativas cultivadas responden a los aromas, podrían usarse como ensayos de selección para ayudar a identificar qué moléculas se unen a receptores olfativos específicos.

En el futuro, los científicos buscarán determinar si los receptores olfativos se ubican preferentemente en un tipo específico de célula gustativa; por ejemplo, las que detectan lo dulce o lo salado. Otros estudios explorarán cómo las moléculas de olor modifican las respuestas de las células gustativas y, en última instancia, la percepción del gusto humano.

Hachimoji, un nuevo alfabeto genético para una forma de vida en otro lugar

Esta nueva estructura es un idioma de ocho letras que cumple todos los requerimientos que permiten a nuestro ADN almacenar, transmitir y cambiar (evolucionar) la información en los sistemas vivos, lo que es la base de la biología.

 

Si la base de la vida, el ADN que hay en cada célula de cada organismo, se caracteriza por cuatro compuestos químicos que se estructuran de determinada manera en una doble hélice, ¿es posible que estructuras similares puedan también albergar vida, distinta a la que conocemos en la Tierra? Es lo que se han preguntado unos biólogos estadounidenses, que han logrado sintetizar un nuevo ADN, un sistema molecular que es igualmente capaz de almacenar y transmitir información y que se compone de las cuatro bases conocidas más otras cuatro.

No es una nueva forma de vida, se apresura a aclarar la NASA, que ha financiado la investigación dentro de su programa de búsqueda de vida en otros mundos, pero es lo suficientemente interesante para que la investigación se haya publicado en la revista Science, donde se indica que el nuevo ADN sintético duplica la densidad de información del natural. Como el de verdad, es un sistema molecular de información pero la molécula, a la que llaman ADN hachimoji (ocho letras en japonés), añade cuatro nucleótidos a los cuatro presentes en la vida terrestre (adenina, citosina, guanina y timina).


Lo que han demostrado los investigadores es que esta nueva estructura es un idioma de ocho letras que cumple todos los requerimientos que permiten a nuestro ADN almacenar, transmitir y cambiar (evolucionar) la información en los sistemas vivos, lo que es la base de la biología. Pero le falta algo, no es autosostenido (hay que suministrarle elementos continuamente) mientras que conceptualmente la vida se puede definir como un sistema químico autosostenido que es capaz de evolucionar de forma darwiniana.


“Se trata de un verdadero hito”, asegura el experto Floy Romesberg en la revista Nature. El estudio implica que no hay nada especialmente mágico o especial en esos cuatro compuestos químicos que evolucionaron en la Tierra, mientras que en otros lugares del Universo pudieron evolucionar de forma distinta. Durante muchos años se ha intentado modificar la doble hélice del ADN para ver qué pasaba pero esta investigación es la primera que demuestra de forma sistemática que las bases añadidas no naturales se reconocen y enlazan de dos en dos, como lo hacen las cuatro del ADN natural, y que la doble hélice que forman las ocho mantiene su estructura, señala esta revista científica.


En realidad, las cuatro nuevas bases o nucleótidos son variantes de las naturales, buscando determinadas características que químicamente les hagan comportarse así. Una vez conseguida la doble hélice enriquecida, la sometieron a pruebas para demostrar que el orden de las bases no implicaba la ruptura de la estructura, como sí pasa en intentos anteriores. También consiguieron demostrar que la información contenida en el ADN sintético se puede transcribir en ARN, como sucede en la naturaleza, lo que lleva a la producción de las proteínas.


O sea, que casi todo es igual que en la vida real, pero no es vida. Sin embargo, además de servir quizás para detectar la firma de la vida en otros mundos, la nueva molécula sintética tiene otras posibles aplicaciones. En experimentos anteriores, Steven Benner, de Florida, el líder del amplio grupo de investigadores de varias instituciones que han colaborado en el nuevo trabajo, demostró que un ADN enriquecido reconoce mejor que el natural las células cancerosas, lo que implica un posible uso en diagnóstico médico e incluso en medicamentos. También se pueden crear nuevas proteínas y utilizarlo como sistema de almacenamiento de información alternativo al silicio de los chips.


Pero volvamos a la evolución y a una figura que normalmente se relaciona más con la mecánica cuántica, el físico Erwin Schrödinger. “En 1942 Schrödinger predijo que sea cual sea el polímero genético que utiliza la vida, sus componentes de información deben de tener todos la misma forma y tamaño”, señala Benner, o sea que la regularidad estructural es un requerimiento más de la evolución. El hachimoji cumple esta predicción, como se ha comprobado en sus estructuras cristalinas. “Esta investigación nos recuerda lo mucho que nos queda por saber sobre el ADN y el ARN”, dice Jack Szostak, premio Nobel de Medicina que se ha interesado en su carrera por el origen de la vida, algo que por ahora no parece que se vaya a descifrar, a pesar del nuevo avance.

Edición genómica: riesgos inminentes e innecesarios

La biotecnología de nueva generación se ha orientado hacia la edición genómica de organismos o a la elaboración de productos basados en una herramienta de la biología molecular conocida como CRISPR-Cas9 que a grandes rasgos permite en el laboratorio eliminar, sustituir o añadir nucleótidos (bloques de los que está hecho el ADN de los seres vivos) a una o varias secuencias de información genética determinada (genes, ADN) haciendo cortes en la secuencia genética y uniéndola luego con alto grado de precisión para generar alguna modificación en el organismo intervenido (por ejemplo, inducir la infertilidad en individuos de una especie animal, modificar las características de un cultivo o, teóricamente, curar o prevenir alguna enfermedad humana con componente genético).


La edición genómica difiere de las técnicas clásicas de ingeniería genética en diversos aspectos: capacidad de modificar genes específicos in vivo; teóricamente aumentar la eficiencia y especificidad en la introducción de la modificación genética deseada; incrementar el tipo o número de especies en los cuales se pueden aplicar los dos aspectos citados. Esta técnica ha generado gran expectativa en las áreas de la biotecnología y la biomedicina, acompañada de un capital financiero especulativo de enormes dimensiones. Aunque ya existen en el mercado productos de la tecnología CRISPR-Cas9 y se realizan experimentos en líneas celulares humanas en China y Europa desde 2017, a escala internacional se discute si los organismos modificados mediante esta tecnología son transgénicos y si deben ser liberados al ambiente.


Recién han aparecido evidencias científicas que fortalecen las posturas críticas sobre los riesgos no previstos por la utilización de la edición genómica. Un estudio publicado en la revista Nature Medicine mostró que la edición del genoma en algunos tipos de células humanas podría derivar en la aparición de cáncer. Muchas células humanas poseen un mecanismo natural de reparación del ADN, mediado por la proteína p53, que actúa como alarma celular ante el ADN cortado o roto (¡lo que precisamente hace la herramienta CRISPR-Cas9!)


La ausencia de la proteína p53 aumenta la probabilidad de que las células se tornen cancerosas debido a que el daño al ADN no puede ser reparado o por la aparición de mutaciones potencialmente generadoras de tumores. Cerca de la mitad de los tipos de cáncer conocidos carecen de tal proceso de reparación o está alterado. La interpretación de esta investigación va en el sentido de que el uso de la edición genómica mediante CRISPR-Cas9 en humanos seleccionaría células en los cuales la vía p53 esté alterada o inhibida, provocando la aparición de mutaciones en el ADN que posiblemente derivarían en cáncer. A mediano plazo, la edición genómica en humanos podría probablemente causar más daños que beneficios.


Otra investigación que buscó sin éxito generar plantas de yuca (mandioca) resistentes a virus que atacan a este cultivo mediante edición genómica con CRISP-Cas9, mostró que la edición genómica de las plantas, orientada a controlar la infección por el virus, generó cepas virales estables resistentes a la edición genómica, o sea que los virus no pueden ser controlados por la planta modificada genómicamente. La teoría básica de virología molecular indica que ante una presión de selección (aquí la edición genómica de las plantas modificadas), los virus evolucionarán por medio de la introducción de mutaciones que les permitan sobrevivir a dicha presión y eventualmente se dispersará y prevalecerá el rasgo adquirido, lo cual tiene implicaciones importantes para la bioseguridad de los organismos genéticamente modificados en la contención y eventual dispersión de virus resistentes, reduciendo las estrategias de control. Además de la yuca, se está buscando generar plantas modificadas mediante edición genómica, como el caso del cacao.


Otra aplicación directa de la edición genómica está relacionada con la tecnología llamada impulsores genéticos ( gene drives): construcciones genéticas que pueden ser insertadas en algunos organismos con el fin controlar o eliminar especies no deseadas, luego de reorientar las leyes de la herencia en la reproducción sexual. Esta aplicación está siendo criticada por científicos y conservacionistas debido al potencial invasivo de los organismos genómicamente editados en el ambiente.


Los ejemplos prueban que las nuevas herramientas moleculares no han contemplado escenarios de riesgo potencial (a veces básico) para la salud humana y la naturaleza, y de que las entidades encargadas de la bioseguridad y comités éticos en biomedicina a nivel nacional e internacional se han dejado embelesar por promesas poco sustentadas de los avances tecnológicos de las nuevas tecno-ciencias y las ganancias económicas proyectadas. El principio de precaución debe marcar la pauta en cualquier rama de la investigación científica.

 

Por EMMANUEL GONZÁLEZ-ORTEGA, Unión de Científicos Comprometidos con la Sociedad