Enhanced Fidelity and Sequence Generality of an RNA Polymerase Ribozyme

Mucho antes de que existiera la vida compleja con ADN y proteínas, los científicos creen que los primeros sistemas vivos estaban construidos enteramente a partir de una sola molécula llamada ARN. En esa era antigua, a menudo llamada el "mundo del ARN", el ARN tenía que cumplir una doble función: transportaba instrucciones genéticas como un plano y actuaba como una máquina para copiarse a sí misma, como un trabajador de una fábrica. Para que la vida creciera y evolucionara, esta máquina de ARN necesitaba ser increíblemente precisa. Si cometía demasiados errores al copiar sus propias instrucciones, la información se volvería confusa e inútil, provocando el colapso del sistema. Sin embargo, crear una molécula de ARN que pueda copiarse a sí misma con alta precisión es un desafío monumental. Si bien los científicos han diseñado previamente enzimas de ARN que pueden construir otras cadenas de ARN, estas primeras versiones eran torpes. Solo podían copiar secuencias simples y sin estructura, y a menudo cometían demasi muchos errores para sostener un sistema vivo. Eran como una fotocopiadora que solo podía manejar papel en blanco o líneas de texto sueltas, fallando siempre que el documento se volvía complejo o se plegaba en una forma.

Un equipo de investigadores del Instituto Salk ha diseñado ahora una nueva versión de esta máquina de ARN que supera estas limitaciones. Mediante la aplicación de un riguroso proceso de ensayo y error, crearon un ribozima, o enzima de ARN, que puede copiar cadenas de ARN complejas y plegadas con una precisión notable. Esta nueva máquina, llamada 85h34, representa un salto significativo. Puede leer plantillas difíciles que antes eran imposibles de copiar, y comete muchos menos errores que sus predecesoras. Lo más importante es que puede hacerlo incluso cuando el entorno químico es menos favorable, una condición que obliga a la máquina a ser más cuidadosa. Este logro acerca a los científicos a la creación de un sistema autorreplicante que podría evolucionar por sí mismo, ofreciendo un vistazo a cómo la vida pudo haber comenzado a partir de una química simple.

El viaje para crear esta máquina mejorada comenzó con una versión anterior de la ARN polimerasa, conocida como 52-2. Aunque este modelo anterior podía copiar ARN, tenía dificultades con la precisión, especialmente cuando la plantilla era larga o tenía una estructura compleja. Cuando intentaba copiar una molécula de ARN específica llamada ligasa de clase I, que tiene 97 unidades de longitud, cometía tantos errores que las copias resultantes eran casi totalmente inútiles. Para solucionar esto, los investigadores decidieron someter a la enzima a una presión extrema. Diseñaron un experimento donde la única forma de que la enzima sobreviviera y se reprodujera era si construía con éxito una copia funcional de la ligasa de clase I. Si la enzima cometía un error, la copia no funcionaría y esa versión de la enzima sería descartada.

Los investigadores llevaron a cabo este proceso de selección durante 33 rondas adicionales de evolución. Con cada ronda, hicieron la tarea más difícil. Redujeron el tiempo que la enzima tenía para terminar el trabajo y, crucialmente, bajaron la concentración de iones de magnesio en la solución. El magnesio actúa como un ayudante para la reacción química, pero al reducir su cantidad, los investigadores obligaron a la enzima a trabajar de manera más eficiente y cuidadosa. Una concentración más baja de magnesio también dificulta que la enzima ignore los errores, castigándola efectivamente por los errores de copia. A lo largo de estas 33 rondas, la población de enzimas de ARN cambió drásticamente. Los investigadores rastrearon estos cambios secuenciando el código genético de las enzimas en cada paso, observando cómo diferentes grupos, o clados, de mutaciones ascendían y descendían en popularidad.

Los datos revelaron una historia compleja de competencia. Al principio del proceso, un grupo de enzimas se volvió dominante porque era muy preciso, pero era demasiado lento para terminar el trabajo en los límites de tiempo acortados. A medida que la presión aumentaba, este grupo desaparecía. Otros dos grupos, que habían estado presentes en números pequeños, comenzaron a prosperar. Un grupo mejoró su capacidad para manejar las partes difíciles y plegadas de la plantilla, mientras que el otro se volvió mejor en mantener la velocidad y la precisión bajo condiciones de bajo magnesio. Estos dos grupos portaban conjuntos diferentes de mutaciones beneficiosas que estaban separados por grandes distancias en la secuencia de ARN, lo que hacía casi imposible que se combinaran naturalmente mediante la recombinación aleatoria. Para resolver esto, los investigadores combinaron manualmente las mejores características de ambos grupos en una única enzima híbrida.

Este nuevo híbrido, llamado 85h34, demostró ser una potencia. Podía sintetizar la compleja ligasa de clase I con un alto rendimiento, incluso en condiciones en las que las versiones anteriores fallaban por completo. Al probarlo en una variedad de plantillas de ARN, incluyendo aquellas con secuencias difíciles y estructuras plegadas, 85h34 superó consistentemente a sus predecesores. Podía copiar plantillas que contenían largas extensiones de secuencias difíciles de leer e incluso podía desenrollar y copiar a través de bucles de horquilla (hairpin loops) que causaban el estancamiento de las enzimas más antiguas. Quizás lo más impresionante es que 85h34 mantuvo su capacidad de trabajar cuando la concentración de magnesio se redujo a solo 10 milimolar, un nivel tan bajo que ninguna otra ARN polimerasa ribozima había podido funcionar anteriormente, siempre que se añadiera un agente de crowding molecular (PEG8000 al 8%) a la solución.

La precisión de esta nueva máquina se midió contando los errores que cometía durante el proceso de copia. La antigua enzima 52-2 cometía errores aproximadamente 14 veces por cada 100 nucleótidos copiados al trabajar con la ligasa de clase I. En contraste, la nueva enzima 85h34 cometía solo unos 6 errores por cada 100 nucleótidos bajo condiciones estándar, y este número bajó a solo 5 errores por cada 100 al trabajar en el entorno de bajo magnesio. Esta mejora provino de dos fuentes: la nueva enzima era mejor eligiendo los bloques de construcción correctos para empezar, y era mucho mejor deteniéndose si ya había cometido un error. Al negarse a extender una copia defectuosa, evitaba la acumulación de errores en el producto final.

La importancia de este trabajo reside en lo que permite. Para que la vida evolucione, la información genética debe transmitirse con suficiente fidelidad para preservar rasgos útiles, pero con suficiente variación para permitir la innovación. La polimerasa 85h34 ha cruzado un umbral crítico donde puede copiar de manera confiable ARN funcionales complejos sin que la información se degrade en algo sin sentido. Esto significa que los científicos ahora pueden usar esta enzima para evolucionar otras moléculas de ARN, creando un sistema donde el ARN no solo puede copiarse a sí mismo, sino también mejorarse a sí mismo con el tiempo. Los investigadores sugieren que este proceso de arranque (bootstrapping), donde una mejor máquina de copiado crea mejores copias de sí misma, podría eventualmente conducir a un sistema de ARN plenamente autoevolutivo. Si bien el artículo no afirma haber creado vida, ha construido la máquina de copiado de ARN más capaz hasta la fecha, proporcionando una herramienta robusta para explorar los orígenes químicos de la vida y los principios fundamentales de la evolución.