En publicaciones anteriores, el grupo de investigación de Braun exploró cómo podría haberse desarrollado el orden espacial en cámaras estrechas llenas de agua dentro de rocas volcánicas porosas en el fondo del mar. Estos estudios mostraron que, en presencia de diferencias de temperatura y un fenómeno convectivo conocido como efecto Soret, las cadenas de ARN podrían acumularse localmente en varios órdenes de magnitud de una manera dependiente de la longitud.
“El problema es que las secuencias de bases de las moléculas más largas que se obtienen son totalmente caóticas”, dice Braun.
Las ribozimas evolucionadas (enzimas basadas en ARN) tienen una secuencia de bases muy específica que permite que las moléculas se plieguen en formas particulares, mientras que la gran mayoría de los oligómeros formados en la Tierra Primitiva probablemente tenían secuencias aleatorias.
“El número total de posibles secuencias de bases, conocido como el ‘espacio de secuencia’, es increíblemente grande”, dice Patrick Kudella, primer autor del nuevo informe. “Esto hace que sea prácticamente imposible ensamblar las estructuras complejas características de las ribozimas funcionales o moléculas comparables mediante un proceso puramente aleatorio”.
Esto llevó al equipo de LMU a sospechar que la extensión de moléculas para formar “oligómeros” más grandes estaba sujeta a algún tipo de mecanismo de preselección.
Dado que en la época del Origen de la Vida solo existían unos pocos procesos físicos y químicos muy simples en comparación con los sofisticados mecanismos de replicación de las células, la selección de secuencias debe basarse en el entorno y las propiedades de los oligómeros. Aquí es donde entra la investigación del grupo de Braun. Para la función catalítica y la estabilidad de los oligómeros, es importante que formen cadenas dobles como la conocida estructura helicoidal del ADN. Esta es una propiedad elemental de muchos polímeros y permite complejos con partes de cadena doble y simple. Las partes monocatenarias se pueden reconstruir mediante dos procesos. Primero, mediante la denominada polimerización, en la que las hebras se completan con bases simples para formar hebras dobles completas. El otro es mediante lo que se conoce como ligadura. En este proceso, se unen oligómeros más largos. Aquí, se forman partes de cadena doble y monocatenaria, lo que permite un mayor crecimiento del oligómero.
“Nuestro experimento comienza con una gran cantidad de cadenas cortas de ADN, y en nuestro sistema modelo para oligómeros tempranos usamos solo dos bases complementarias, adenina y timina”, dice Braun. “Suponemos que la ligadura de hebras con secuencias aleatorias conduce a la formación de hebras más largas, cuyas secuencias de bases son menos caóticas”.
A continuación, el grupo de Braun analizó las mezclas de secuencias producidas en estos experimentos utilizando un método que también se utiliza para analizar el genoma humano. La prueba confirmó que la entropía de la secuencia, es decir, el grado de desorden o aleatoriedad dentro de las secuencias recuperadas, de hecho se redujo en estos experimentos.
Los investigadores también pudieron identificar las causas de este orden “autogenerado”. Descubrieron que la mayoría de las secuencias obtenidas se dividían en dos clases, con composiciones de base de 70% de adenina y 30% de timina, o viceversa.
“Con una proporción significativamente mayor de una de las dos bases, la hebra no se puede plegar sobre sí misma y permanece como un socio de reacción para la ligadura”, explica Braun. Por tanto, apenas se forman hebras con la mitad de cada una de las dos bases en la reacción. “También vemos cómo pequeñas distorsiones en la composición de la reserva de ADN corto dejan patrones de motivos distintos que dependen de la posición, especialmente en cadenas de productos largas”, dice Braun.
El resultado sorprendió a los investigadores, porque una hebra de solo dos bases diferentes con una proporción de bases específica tiene formas limitadas de diferenciarse entre sí.
“Sólo los algoritmos especiales pueden detectar detalles tan sorprendentes”, dice Annalena Salditt, coautora del estudio.
Los experimentos muestran que las características más simples y fundamentales de los oligómeros y su entorno pueden proporcionar la base para procesos selectivos. Incluso en un sistema de modelo simplificado, pueden entrar en juego varios mecanismos de selección, que tienen un impacto en el crecimiento de la hebra a diferentes escalas de longitud y son el resultado de diferentes combinaciones de factores. Según Braun, estos mecanismos de selección eran un requisito previo para la formación de complejos catalíticamente activos como las ribozimas y, por lo tanto, desempeñaron un papel importante en el surgimiento de la vida del caos.
