Descubrimiento de nuevos ácidos xenonucleicos primitivos como polímeros genéticos alternativos

El origen químico de la vida en la Tierra es un rompecabezas que los científicos han estado tratando de armar durante décadas. Se han propuesto muchas hipótesis para explicar cómo surgió la vida y qué factores químicos y ambientales en la Tierra primitiva podrían haber conducido a ella. Un paso requerido en varias de estas hipótesis implica la síntesis abiótica de polímeros genéticos, materiales formados por una secuencia de unidades químicas repetitivas con la capacidad de almacenar y transmitir información a través de interacciones de emparejamiento de bases.

Una de esas hipótesis es la hipótesis mundial del ARN (ácido ribonucleico), que se basa en este concepto y sugiere que el ARN podría haber sido el biopolímero original de la vida tanto para el almacenamiento y la transmisión de información genética como para la catálisis. Sin embargo, en ausencia de activación química de los monómeros de ARN, los estudios han encontrado que la polimerización de ARN habría sido ineficaz en condiciones primitivas de secado sin circunstancias especializadas como síntesis asistida por lípidos o sales o plantillas minerales. Si bien esto no necesariamente hace que la hipótesis del mundo del ARN sea menos plausible, los sistemas químicos primitivos eran bastante diversos y posiblemente no podrían haber sido tan limpios como para contener solo ARN y lípidos, lo que sugiere que también pueden haber tenido lugar otras formas de polimerización de ácidos nucleicos primitivos.

Una de las principales hipótesis sugiere que tal vez un tipo diferente de ácido nucleico, denominado «pre-ARN», podría haber precedido al ARN en la Tierra primitiva. Por lo tanto, una forma potencialmente prometedora de investigar los orígenes de los polímeros genéticos es no solo centrarse en la síntesis de ARN en condiciones plausibles prebióticamente, sino también investigar otros mecanismos actualmente desconocidos de síntesis prebiótica de ácidos nucleicos que no son ARN (o ácidos nucleicos similares). polímeros) que podrían haber existido en la Tierra primitiva, como la copolimerización de monómeros de análogos de nucleósidos alternos con moléculas conectoras.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, dirigido por el científico de investigación Ruiqin Yi, asumió la tarea de examinar tales copolimerizaciones en un candidato de polímero genético relevante prebióticamente no basado en ARN. En su reciente avance publicado en Chemical Communications, el equipo exploró la copolimerización alterna de monómeros de ácido nucleico de glicol (GNA) con ácidos dicarboxílicos (DCA) sustituidos y no sustituidos en condiciones de secado primitivas para producir co-ácidos xenonucleicos tanto lineales como ramificados. polímeros

«La investigación sugiere que las supuestas moléculas de pre-ARN podrían ensamblarse a partir de monómeros con conectores que podrían servir para unir otros polímeros funcionales para formar estructuras híbridas macromoleculares», explica el Dr. Yi. “Esta interconectividad química adicional no solo aumenta la complejidad de los polímeros, sino que también puede haberles impartido funciones nuevas o emergentes. Tal cosíntesis de polímeros puede potencialmente ayudar a rastrear el origen de las moléculas genéticas primitivas hasta una era anterior a la catálisis enzimática o el ARN”.

Las condiciones de secado pueden generar polímeros muy diversos que podrían sufrir selección y evolución CRÉDITO Tokyo Tech

Para investigar la cosíntesis de polímeros, los monómeros de GNA N1- (2′, 3′-dihidroxipropil) timina (DHPT) o N9- (2,3-dihidroxipropil) adenina (DHPA) (que contienen las bases de timina y adenina observadas en ADN y ARN modernos, respectivamente) se hicieron reaccionar con una variedad de DCA sustituidos y no sustituidos a través de la síntesis de deshidratación para formar enlaces de éster capaces de conectar los componentes de GNA con los componentes de DCA. Las moléculas del producto sintetizado luego se sometieron a espectrometría de masas de tiempo de vuelo de ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI-ToF-MS) para analizar los tipos de productos que podrían producirse potencialmente.

Los resultados revelaron que las reacciones con DCA no sustituidos produjeron copolímeros lineales alternos, mientras que las que tenían DCA sustituidos produjeron copolímeros tanto lineales como ramificados; En todos los casos, los productos estaban compuestos por una población polidispersa de polímeros de diferentes longitudes. Variando la composición, la temperatura o el pH de reacción de DCA o GNA, se podrían obtener productos de diferentes longitudes. Cuando se aplicó el análisis MS/MS para “secuenciar” los polímeros del producto, se reveló que la proporción DCA/GNA afectó la cantidad de ramificación de los productos; proporciones más altas de DCA/GNA dieron como resultado más ramificación, mientras que proporciones más bajas dieron como resultado polímeros más lineales.

Finalmente, el equipo también descubrió que la reacción mixta de DHPT y DHPA con ácido tartárico conducía a la formación de una secuencia aleatoria de polímeros que constaban de ambos tipos de bases (timina y adenina), que normalmente pueden formar pares de bases. Estos productos indican una vía potencial para que este sistema forme polímeros de cadena corta capaces de transmitir información genética a través del emparejamiento de bases, similar al ARN u otros ácidos nucleicos primitivos.

Los resultados de esta investigación sugieren que los copolímeros de ácido xenonucleico basados ​​en GNA-DCA, tanto lineales como ramificados, podrían haber sido abundantes en la Tierra primitiva si el inventario de moléculas orgánicas prebióticas tuviera una composición diversa, y que las diferencias simples en la composición química podría haber dado lugar a diferencias a nivel de población en la abundancia de polímeros informativos ramificados frente a lineales.

Por ejemplo, en entornos con menos monómeros de GNA en comparación con las moléculas de DCA, habrían dominado los polímeros ramificados, lo que podría haber estado relacionado con las protoenzimas globulares basadas en polímeros hiperramificados. Por el contrario, en entornos con más monómeros GNA en comparación con moléculas DCA, habría dominado una población potencialmente muy diversa de polímeros lineales capaces de almacenar y transmitir información genética, lo que podría haber resultado en una mayor selección y evolución que condujera a otras funciones o ácidos nucleicos novedosos. . .

«Descubrimos que no solo se pueden formar ácidos xenonucleicos no canónicos a través de la simple deshidratación de dos tipos de moléculas primitivas abundantes (GNA y DCA), sino también que estos polímeros (que contienen dos tipos de bases complementarias) podrían haber tenido información útil propiedades de almacenamiento. Ahora estamos en el proceso de profundizar en las funciones potenciales de estos copolímeros y esperamos descubrir más respuestas a las preguntas sobre los tipos de polímeros que podrían haber existido y funcionado en la Tierra primitiva”, concluye el Dr. Yi.

¡Ciertamente parece que estamos un paso más cerca de desentrañar el misterio que rodea el origen de la vida terrestre!

Cosíntesis alterna de monómeros de ácido nucleico de glicol (GNA) con ácidos dicarboxílicos mediante secado, comunicaciones químicas

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