La evolución en una botella: la vida sintética rezuma más cerca de la realidad


Gerald F. Joyce admite que cuando vio los resultados del experimento, tuvo la tentación de detener el trabajo y publicar los resultados inmediatamente. Después de años de intentos, él y su estudiante Tracey Lincoln finalmente encontraron un par de secuencias de ARN cortas pero poderosas que, cuando se mezclan junto con una mezcla de bloques de construcción de ARN más simples, se duplicarán una y otra vez, ampliándose 10 veces en unos pocos Horas y seguimos replicando siempre y cuando tengan espacio y materia prima. Pero J

Gerald F. Joyce admite que cuando vio los resultados del experimento, tuvo la tentación de detener el trabajo y publicar los resultados inmediatamente. Después de años de intentos, él y su estudiante Tracey Lincoln finalmente encontraron un par de secuencias de ARN cortas pero poderosas que, cuando se mezclan junto con una mezcla de bloques de construcción de ARN más simples, se duplicarán una y otra vez, ampliándose 10 veces en unos pocos Horas y seguimos replicando siempre y cuando tengan espacio y materia prima.

Pero Joyce no estaba del todo satisfecha. Un químico molecular de 53 años, profesor y decano del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, es uno de los campeones fundadores de la hipótesis del "mundo ARN". Esa es la noción de que tal vez la vida tal como la conocemos se basa en el ADN y las proteínas enzimáticas, y el ARN actúa en su mayor parte como un simple correo de información genética que se desarrolla a partir de un sistema químico prebiótico más simple basado principalmente o solo en el ARN. Por supuesto, la idea es plausible solo si el ARN puede soportar la evolución por sí solo. Tal vez, pensó Joyce, su ARN sintético podría ayudar a demostrar que es posible. Así que él y Lincoln pasaron otro año trabajando con las moléculas, mutándolas y organizando competencias en las que solo los más aptos podrían sobrevivir.

En enero, un mes antes del bicentenario del nacimiento de Charles Darwin, anunciaron los resultados en Ciencia. Su pequeño sistema de tubos de ensayo efectivamente manifestó casi todas las características esenciales de la evolución darwiniana. Las 24 variantes de ARN iniciales se reprodujeron, algunas más rápido que otras dependiendo de las condiciones ambientales. Cada especie molecular compitió con las otras por el conjunto común de bloques de construcción. Y el proceso de reproducción fue imperfecto, por lo que los nuevos mutantes que Joyce los llama recombinantes pronto aparecieron e incluso prosperaron.

"Lo dejamos en funcionamiento durante 100 horas", recuerda Joyce, "durante el cual vimos una amplificación general en el número de moléculas replicadoras en 10 23. Muy pronto, los tipos de replicador originales se extinguieron y los recombinantes comenzaron a hacerse cargo de la población. " Ninguno de los recombinantes, sin embargo, podría hacer algo nuevo, es decir, algo que ninguno de sus antepasados ​​podría realizar.

Ese ingrediente crucial que falta aún separa la evolución artificial de la verdadera evolución darwiniana. "Esto no está vivo", enfatiza Joyce. "En la vida, la función novedosa se puede inventar a partir de un paño completo. No tenemos eso. Nuestro objetivo es hacer la vida en el laboratorio, pero para llegar necesitamos aumentar la complejidad del sistema para que pueda comenzar a inventar". nueva función, en lugar de simplemente optimizar la función que hemos diseñado en ella ".

Ese objetivo parece claramente posible, porque los replicadores de ARN en el laboratorio de Joyce eran relativamente simples: cada uno tiene solo dos secciones genéricas que pueden variar. Cada uno de esos "genes" es un bloque de construcción corto de ARN. Un replicador, al ser una enzima de ARN, puede reunir los dos genes y vincularlos para crear una enzima que sea la "pareja" del replicador. El compañero se libera y reúne dos genes sueltos, que se ensambla en un clon del replicador original. Los recombinantes aparecen cuando un compañero es infiel y vincula genes que nunca fueron creados el uno para el otro. Sin embargo, los recombinantes no crearon genes. Puede ser posible diseñar un sistema que lo haga, o agregar complejidad al darle a cada replicador más genes con los cuales trabajar.

Scott K. Silverman, un químico de la Universidad de Illinois que ha realizado un trabajo pionero con enzimas de ADN, espera que "al captar la evolución darwiniana en nuevas moléculas, podamos entender mejor los principios básicos de la evolución biológica", muchos de los cuales Todavía es algo misterioso a nivel molecular. Joyce y Lincoln, por ejemplo, notaron en su examen postmortem del experimento que los tres recombinantes más exitosos habían formado una pandilla. Cada vez que un miembro de la camarilla cometía un error de reproducción, el resultado era uno de los otros dos compañeros.

El próximo gran paso hacia la creación de la vida en el laboratorio, dice Joyce, será diseñar (o evolucionar) un conjunto de moléculas sintéticas que puedan realizar el metabolismo y la replicación. El genetista Jack W. Szostak, de la Escuela de Medicina de Harvard, ha desarrollado proteínas no biológicas que se unen al ATP, un químico que transporta energía y es crucial para el metabolismo. El laboratorio de Szostak también está intentando crear protocélulas que encierran el ARN dentro de pequeñas esferas de ácidos grasos, llamadas micelas, que pueden formarse, fusionarse y replicarse espontáneamente.

Incluso si los bioquímicos logran improvisar ARN y otros compuestos básicos en alguna forma de vida sintética, el sistema de ingeniería probablemente será tan complejo al principio que difícilmente demostrará que la vida natural comenzó de una manera similar, hace cuatro mil millones de años. Los replicadores de Joyce consisten en apenas 50 letras químicas, pero las probabilidades de que aparezca tal secuencia por casualidad son aproximadamente una en 1030, señala. "Si fueran seis o incluso 10 letras de largo, entonces diría que podríamos estar en el ámbito de la plausibilidad, donde uno podría imaginarlas reuniéndose espontáneamente" en la sopa primordial.

De la vida del tubo de ensayo a las herramientas de diagnóstico

Crear vida en el laboratorio sería una ocasión trascendental para la humanidad, incluso si es más molecular que Frankensteiniana. Pero puede haber usos más mundanos para tal química. Un artículo en prensa en Nature Biotechnology, dice Gerald F. Joyce, describe cómo su laboratorio en el Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, ha modificado los replicadores de ARN para que puedan realizar una función bioquímica para reproducirse. Los ganadores de esa carrera evolutiva serán buenos candidatos para un diagnóstico médico, piensa. Scott K. Silverman, de la Universidad de Illinois, dice que la idea tiene mérito: "Supongamos que necesita realizar una detección en un ambiente sucio con muchos químicos diferentes presentes, que quiere encontrar Salmonella dentro de la mantequilla de maní. Es difícil hacerlo sin pasos de purificación. Sería útil poder evolucionar el sistema de diagnóstico para que aún encuentre la señal a pesar de todo el ruido ". WWG