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Ciencia

La génesis del ADN

Un modelo matemático describe la competencia entablada entre moléculas que resultó en la aparición de los seres vivos en la Tierra

La molécula de ADN, un ícono de la ciencia moderna, es la única sobreviviente de una lucha que se extendió durante millones de años. Inconfundible en su formato de dos cordones enrollados entre sí, emergió de una intensa pugna con otras estructuras químicas capaces de copiarse a sí mismas. Y triunfó solamente porque entre ellas hubo cooperación -o altruismo, para utilizar un término que se toma prestado de la antropología. Las moléculas más refinadas, aquéllas que lograron ganar tiempo copiándose por medio de enzimas -un tipo de proteína-, auxiliaban, probablemente de manera involuntaria, a las más primitivas, que generaban réplicas de sí mismas mediante métodos más lentos.

Aquéllas que eran enteramente egoístas, es decir, por alguna razón incapaces de prestar ayuda, sencillamente desaparecieron. Recién una vez de concluido el proceso de selección entre participantes cada vez más aptos empezaron a formarse los primeros organismos en la Tierra, probablemente hace 4.500 millones de años.La reconstitución de las bambalinas de la vida en el planeta con este nuevo ingrediente, la cooperación entre moléculas, resulta del trabajo realizado no por un químico o un biólogo, tal como sería de esperar, sino por un físico: el ‘gaúcho’ (oriundo de Río Grande do Sul) José Fernando Fontanari, del Instituto de Física de São Carlos (IFSC) de la Universidad de São Paulo (USP).

Hace siete años, Fontanari sospechó que las fórmulas que presentaba a sus alumnos de mecánica estadística no servirían únicamente para describir los modos por los cuales los átomos reaccionan unos con otros. Si se las observa como un modelos de interacción entre partículas, que solucionasen problemas más amplios, que los biólogos trataban apenas de manera conceptual, probablemente por sentirse poco cómodos entre ecuaciones y modelos matemáticos.

Y su intuición era correcta. En dos artículos recientes, publicados en octubre y noviembre de 2002 en Physical Review Letters , Fontanari describe matemáticamente cómo comenzó y transcurrió el proceso de selección que derivó en una molécula vencedora: el ADN, cuya elegante estructura fue descubierta hace exactos 50 años, como resultado de un trabajo conjunto entre físicos y biólogos, y actualmente es conocida a punto tal que ya no es más necesario recordar que se trata de la sigla del ácido desoxirribonucleico.

Al acercar la física a la biología, Fontanari resolvió algunas paradojas planteadas hace 30 años por el químico alemán Manfred Eigen (Nobel de Química de 1967). Eigen había creado la teoría de los replicadores, moléculas que logran copiarse a sí mismas y que en la actualidad, en su versión más refinada -el ADN-, guardan informaciones que inician el proceso de producción de proteínas, indispensables para la formación de todas las partes de los seres vivos.

Al ser capaz de atraer fragmentos menores que, una vez unidos, resultarían en una copia de sí mismo, el primer replicador surgió por casualidad. “Fue un accidente histórico”, dice Fontanari. Pero bastó para cambiar el patrón de producción de moléculas, antes formadas por la mera agregación de bloques, como si fueran piezas de un juego de encastre juntándose al azar.Si dependiese de este primer replicador, la vida no tendría futuro en la Tierra.

Por ser pequeño, no podía guardar información suficiente como para iniciar la fabricación de proteínas. Lograba copiarse, actuando como un molde para sí mismo, pero el proceso era aún lento y estaba sujeto a errores, que se hacían cada más frecuentes a medida en que crecía. “Cuanto mayor es la molécula, más difícil y lento resulta hacerse una copia de sí misma”, dice el físico, basándose en comprobaciones experimentales. “La probabilidad de que el primer replicador hiciera una copia perfecta de sí mismo era prácticamente nula.”

Un salto estratégico
Pero, algún tiempo después, hubo otro accidente histórico. Los descendientes del primer replicador, diferentes con relación al original, debido a los errores acumulados, consiguen crear, al inaugurar el tercer patrón de confección de moléculas, que perdura hasta hoy: los moldes intermedios. Son las enzimas, un tipo de proteína que acelera las reacciones químicas. Con ellas, el replicador gana tiempo, evita errores y genera más copias de sí mismo. Y está también más protegido contra los ataques de otras moléculas, una situación similar a la encontrada en algunos tipos de virus, en los cuales una molécula actúa como tapa del material genético.

Al formular esta tesis, Eigen notó que había algo extraño, aquello que más tarde acabó siendo conocido como paradoja del altruismo. Al crear una enzima, en lugar de simplemente continuar copiándose, la molécula mutante, que inicia esta nueva generación de replicadores, hace algo que no sería utilizado únicamente por ella, sino que beneficiaria también a los replicadores que aún se copiaban por molde. “Eigen resolvió los problemas de la complexidad química del origen de la vida, pero no se dio cuenta de que, de ese modo, habría altruismo entre las primeras moléculas más evolucionadas de la Tierra”, comenta Fontanari.

El biólogo inglés John Maynard Smith, de la Universidad de Sussex, Inglaterra, rechazó esta idea, puesto que consideró que sería imposible que hubiera altruismo entre moléculas. Al analizar este obstáculo, Fontanari concluyó que el nuevo replicador tenía un precio que pagar por su nueva habilidad: no podría copiarse mientras estuviese creando la enzima. Es la misma situación por la cual pasa un obrero que gana de acuerdo con el número de tapas de botellas que cierra manualmente.

Podría poner las tapitas más rápido si construye una máquina, pero, mientras la construyese, no lograría cumplir con la meta de producción y ganaría menos que sus compañeros, para quienes el trabajo manual es inevitable. Frente a las moléculas egoístas, que no habían parado de generar copias de sí mismas ni habían perdido tiempo creando enzimas, la molécula replicadora estaba en desventaja, y por ello, corría peligro de extinción. Pero no estaría mal colocada si la enzima actuase solamente para ella -algo improbable con la bioquímica de la época. De esta manera, la proteína auxilia a otros replicadores, que usufructúan sus ventajas sin ningún costo.

Aislamiento y mezcla
Así y todo, surgió una dificultad. “El estudio matemático de la dinámica de la evolución de estos dos tipos de replicadores que compiten por sus bloques formadores muestra que los replicadores enzimáticos no pueden invadir ni tampoco coexistir con la población de replicadores tipo molde”, comenta el físico. “Pero sabemos que la invasión debe haberse producido, pues los replicadores actuales son del tipo enzimático”. Pero, ¿cómo salir de allí y explicar el altruismo, una aparente desventaja? Fontanari resolvió el enigma al demostrar, matemáticamente, que el replicador enzimático logra sobrevivir, pese a ser generoso con los compañeros, prestándoles su preciosa enzima, siempre y cuando que éste permanezca confinado en un espacio restringido o no pueda moverse mucho, de manera tal que la enzima se mantenga cerca de la molécula madre.

Las ecuaciones son acordes con una hipótesis que tiene una creciente aceptación entre los biólogos, según la cual la vida habría surgido en grietas de rocas, partículas de barro o gotas de agua, que favorecen el confinamiento de moléculas. Otro punto que reforzó la tesis es aquél que hace que ya no se diga más que los primeros replicadores habrían surgido en una mezcla, la llamada sopa primordial, sino en un espacio plano, similar a una pizza -algo así como la superficie de una pirita, mineral a base de óxido de hierro, la más probable candidata a haber albergado formas antiguas de vida. Pasando de un espacio de tres dimensiones a uno de dos, las reacciones químicas se producirían más fácilmente.

Pero aún no era suficiente. Si permanecieran aislados, los replicadores enzimáticos, por el hecho de ser altruistas, serían eliminados por los otros, los egoístas. Por esta razón, Fontanari argumenta que, más allá del confinamiento, es preciso que se produzca una mezcla entre los grupos de moléculas. “Debido a las mareas o al viento, los grupos se mezclan periódicamente, y se redistribuyen de manera aleatoria en los compartimentos”, dice. “En esa redistribución, los clones de los replicadores enzimáticos, más numerosos, pues consiguen copiarse más rápidamente, tienen mayores posibilidades de volver a los compartimentos, mientras que aquéllos que no lo logren serán literalmente llevados por el viento”.

Ése es el momento en el que los replicadores enzimáticos recuperan la desventaja inicial, ya que la mezcla permite la salida de los egoístas de grupos abundantes en enzimas, debido a la presencia de los altruistas. Cayendo en grupos pobres en enzimas, los egoístas pierden poder de replicación y permiten el aislamiento de los altruistas. “Se demuestra así matemáticamente que este proceso repetido acaba llevando al predominio del altruismo”, asegura el físico.

Pero, ¿por qué restó solamente una molécula, el ADN? “Es un resultado matemático, una consecuencia de la dinámica de los replicadores”, dice Fontanari. El investigador cree que surgió primero otro tipo de replicador: el ARN o ácido ribonucleico, una molécula más sencilla (es una cinta simple, mientras que el ADN es una cinta doble, como si fueran dos hilos enrollados entre sí). Esta idea cobra fuerza con la comprobación de que el ARN logra actuar como replicador, generando copias de sí mismo, y como enzima de otra molécula. “El ADN fue una invención del ARN y de otros replicadores más complejos”, sugiere el físico. Pero la invención más reciente es aquélla que tomó las riendas de la evolución y, en la mayoría de los organismos -salvo en algunos virus, que almacenan el material genético bajo forma de ARN-,el ADN fabrica actualmente el ARN en el proceso inicial de la producción de proteínas.

Este conjunto de ideas, que ayuda también a entender por qué existe una sola receta para la producción de proteínas en cualquier organismo, el llamado código genético, pone en cuestión la tesis del individualismo biológico, propagada desde 1976 por el libroEl Gen Egoísta , del biólogo inglés Richard Dawkins. Por otro lado, esto en ningún momento contraría el principio de la selección natural de Charles Darwin. “La naturaleza no necesita otro principio organizador, más allá de la selección natural”, dice.

Las ventajas del sexo – Fontanari resolvió otros impasses que los biólogos ya conocían, empero, no lograban explicar con precisión cómo éstos surgían y se desarrollaban. Uno de estos problemas es la reproducción sexuada. Los científicos siempre se han preguntado porqué el sexo puede ser una ventaja evolutiva, principalmente para los organismos que cuentan con las dos alternativas -hay protozoarios que pueden duplicarse con autonomía, sin necesidad de compañero/a, asegurando así la continuidad de todo su material genético contenido en el ADN, pero optan por la reproducción sexuada, mediante la cual transmiten tan solo la mitad de sus genes. “Existe una presión selectiva a favor de la recombinación de ADN”, dice Fontanari, que en esta cuestión trabaja con biólogos evolucionistas de la Middle Tennessee State Univeristy, Estados Unidos.

El que planteó este problema fue el genetista estadounidense Hermann Joseph Müller (1890-1967), al descubrir que los rayos X pueden causar mutaciones en la moscas de la fruta (Drosophila melanogaster ), un hallazgo que le valió el Premio Nobel de Medicina de 1946. Años después, Müller sentenció: las mutaciones (cambios en el ADN) hacen más mal que bien, y se acumulan más rápidamente en especies que se reproducen únicamente de manera asexuada, en un camino sin retorno, que se hizo conocido como molinete de Müller. El propio Müller sugirió que la reproducción sexuada, debido a que permite la mezcla de material genético, lograría revertir el molinete y evitar el efecto perjudicial de las mutaciones, hoy en día vistas como fuentes de diversidad de los seres vivos, pero que, si no se corrigen al menos en parte, amenazan la supervivencia, debido a que reducen continuamente la adaptación de los animales y las plantas al ambiente en el que viven.

Pero faltaba explicar el movimiento del molinete de Müller, asociado a fenómenos bastante estudiados, como la degeneración del cromosoma sexual Y. Fue lo que hizo Fontanari en un artículo publicado en diciembre de 2001 en Physical Review Letters : el molinete avanza y la traba corre, pasando de un diente a otro, cuando todos los organismos de una población adquieren la misma mutación. Ya se sabía que es más probable que se produzcan pocas y no muchas mutaciones -en un virus, por cada replicación surge al menos una mutación por genoma.

El investigador de São Carlos concluye el artículo con dos fórmulas que, según él, “tienen gran potencial para uso práctico”, pues determinan el índice de mutación por genoma y la intensidad de la selección natural, siempre y cuando se conozca la distribución de la adaptabilidad de una especie, medida por medio de la frecuencia de individuos con diferentes capacidades de supervivencia en un mismo ambiente.

“Si no existiera un mecanismo como el molinete de Müller, que indicase que los microorganismos con reproducción asexuada estarían en desventaja por no lograr anular la mutación, las formas asexuadas prevalecerían”, dice. El mismo trabajo muestra por qué el molinete no para, aunque su movimiento sea lento. ¿Cuán lento? “Depende del tiempo de generación del organismo involucrado”, responde Fontanari. Para las bacterias, que crean una nueva generación cada 20 minutos, el molinete correrá un diente cada 40 años, que corresponden a 1 millón de generaciones.

La eliminación de las mutaciones que incesantemente alteram el ADN, mediante la producción continua de nuevos seres, puede entenderse también mediante la analogía con la Teoría de la Reina Roja, que remite a un personaje del escritor británico Lewis Carroll, en Alicia a través del Espejo . La Reina Roja no dejaba que nadie parase de correr, argumentando: “Debemos continuar corriendo para permanecer en el mismo lugar”.

El Proyecto
Evolución Molecular Teórica
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
José Fernando Fontanari – Instituto de Física de São Carlos – USP
Inversión
R$ 148.000,00

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