Reescribiendo los libros de Biología: evolución del código genético

La evolución del código genético, el sistema universal que traduce las secuencias de ADN y ARN en proteínas, ha sido un tema central en biología desde hace décadas. A pesar de su importancia, su origen y desarrollo aún son motivo de debate. Recientemente, un estudio dirigido por Sawsan Wehbi, estudiante de doctorado en la Universidad de Arizona, ha sacudido los cimientos de este campo. Publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el trabajo sugiere que los métodos tradicionales para descifrar la evolución del código genético podrían estar basados en supuestos equivocados​​​. Está bien refrescar en este punto que no es lo mismo secuencia que código genético.

El estudio señala que el orden en el que los aminoácidos se integraron al código genético es diferente de lo que se había aceptado. A través de un enfoque innovador que analiza secuencias antiguas de proteínas, los investigadores revelaron que ciertos aminoácidos, como los que contienen azufre o se unen a metales, se integraron mucho antes de lo que se pensaba, mientras que otros, como la glutamina, aparecieron más tarde. Este descubrimiento podría cambiar nuestra comprensión sobre cómo surgió la vida en la Tierra. Y, por tanto, reescribirlo los libros de texto.

Revisión de un paradigma: el problema del consenso

Tradicionalmente, la ciencia ha basado sus modelos sobre el origen del código genético en experimentos como el famoso ensayo de Urey-Miller de 1952. Este experimento, diseñado para recrear las condiciones de la Tierra primitiva, demostró que algunas moléculas simples podían generar aminoácidos a través de procesos químicos básicos. Sin embargo, los resultados de estos experimentos no siempre reflejan las condiciones reales en las que evolucionó la vida. El experimento, por ejemplo, no produjo aminoácidos que contienen azufre, lo que llevó a la suposición de que estos eran adiciones tardías en el código genético​​.

El equipo de Wehbi argumenta que este enfoque subestima la importancia evolutiva de las moléculas biológicas en lugar de las químicas abióticas. Los autores señalan que es sorprendente cómo los estudios previos han confiado tanto en experimentos de laboratorio que no representan adecuadamente las condiciones evolutivas. Este nuevo estudio propone que el código genético evolucionó en respuesta a la disponibilidad y funcionalidad dentro de las primeras células vivas, y no en un vacío químico​.

El orden de Trifonov: una visión en disputa

Eugene N. Trifonov, un pionero en el estudio del origen del código genético, propuso un orden consensuado para la incorporación de los aminoácidos. Este orden se basó en 40 métricas diferentes, como la abundancia de aminoácidos en la Tierra primitiva y su peso molecular. Su trabajo ha sido influyente y ampliamente citado, proporcionando una referencia para muchos estudios sobre la evolución del código genético. Según Trifonov, los primeros aminoácidos en ser reclutados fueron aquellos más simples y fácilmente disponibles abióticamente, mientras que los más complejos y menos abundantes llegaron después​.

Sin embargo, el estudio de Wehbi pone en duda la validez de este consenso. Los autores encontraron que el orden consensuado de Trifonov no refleja necesariamente la realidad evolutiva, ya que se basa en criterios que podrían estar sesgados por experimentos de laboratorio no representativos. En su lugar, Wehbi y su equipo utilizaron datos directos de proteínas ancestrales asociadas con el último ancestro común universal (LUCA) para deducir un orden alternativo. Este enfoque sugiere que algunos aminoácidos considerados «tardíos» en el esquema de Trifonov, como la cisteína y la metionina, podrían haber desempeñado un papel crucial desde las etapas más tempranas​.

El rol de LUCA: trazando el código genético hasta el origen de la vida

Los investigadores usaron un enfoque pionero para analizar el último ancestro común universal (LUCA, por sus siglas en inglés), una población de organismos que existió hace aproximadamente 4.000 de años. El equipo no examinó proteínas completas, sino que se enfocó en los dominios de proteínas, componentes más pequeños y funcionales que se conservan en toda la vida moderna. Según Wehbi, esta técnica es como analizar una «rueda» en lugar de un «coche» completo, lo que permite rastrear estructuras más antiguas que han persistido a lo largo de la evolución​​.

LUCA muestra una preferencia por aminoácidos pequeños y simples, lo que sugiere que estos fueron los primeros en ser reclutados al código genético. Los aminoácidos más grandes y complejos se integraron más tarde, posiblemente reflejando avances en las capacidades metabólicas de los organismos. Esta nueva perspectiva ofrece una visión más precisa del orden de incorporación de los aminoácidos, contradiciendo las teorías previas que daban más peso a factores como el peso molecular o la abundancia química​.

Por otra parte, el análisis identificó secuencias aún más antiguas que las asociadas con LUCA. Estas contienen una mayor proporción de aminoácidos aromáticos, como la tirosina y el triptófano, a pesar de que estos se consideran incorporaciones tardías. Esto apunta a la existencia de códigos genéticos previos que han desaparecido con el tiempo, pero dejaron su huella en las secuencias modernas​​.

Una de las conclusiones más sorprendentes del estudio es la revisión del papel de los aminoácidos que contienen azufre, como la cisteína y la metionina. A pesar de ser ignorados en modelos anteriores, estos parecen haber desempeñado un papel crucial en los primeros sistemas biológicos. Según el estudio, el azufre era abundante en el ambiente terrestre primitivo. Su incorporación al código genético permitió el desarrollo de procesos metabólicos esenciales, como la formación de enlaces metálicos​​.

Los aminoácidos con capacidad para unirse a metales, como el hierro y el zinc, también muestran un enriquecimiento inesperado en las secuencias asociadas a LUCA. Esto sugiere que las proteínas primitivas dependían de catalizadores metálicos para realizar funciones esenciales. Estos hallazgos tienen implicaciones no solo para entender la vida terrestre, sino también para la astrobiología. Como ha explicado Dante Lauretta, coautor del estudio, los ciclos biogeoquímicos ricos en azufre en mundos como Marte o Europa podrían ser clave para buscar señales de vida en otros planetas».

Impacto en los libros de texto y futuras investigaciones

El estudio de Wehbi es una revolución en el consenso académico y tiene el potencial de reescribir los libros de texto. Al ofrecer una metodología basada en evidencia evolutiva en lugar de supuestos experimentales, se abren nuevas vías para explorar cómo surgió la vida. Este enfoque podría ayudar a identificar los ingredientes esenciales para la vida en entornos extraterrestres​.

Sin embargo, quedan muchas preguntas por responder. ¿Cómo interactuaban los códigos genéticos primitivos con su entorno? ¿Cuáles son las diferencias con nuestro código actual? Según los autores, los próximos pasos incluirán el análisis de entornos simulados y la comparación con datos de exploraciones planetarias como las misiones a Marte.

Referencias

• Wehbi, S., Wheeler, A., Morel, B., Manepalli, N., Minh, B.Q., Lauretta, D.S., & Masel, J. (2024). Order of amino acid recruitment into the genetic code resolved by last universal common ancestor’s protein domains. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(52), e2410311121. https://doi.org/10.1073/pnas.2410311121