La mol\u00e9cula de ADN, un \u00edcono de la ciencia moderna, es la \u00fanica sobreviviente de una lucha que se extendi\u00f3 durante millones de a\u00f1os. Inconfundible en su formato de dos cordones enrollados entre s\u00ed, emergi\u00f3 de una intensa pugna con otras estructuras qu\u00edmicas capaces de copiarse a s\u00ed mismas. Y triunf\u00f3 solamente porque entre ellas hubo cooperaci\u00f3n -o altruismo, para utilizar un t\u00e9rmino que se toma prestado de la antropolog\u00eda. Las mol\u00e9culas m\u00e1s refinadas, aqu\u00e9llas que lograron ganar tiempo copi\u00e1ndose por medio de enzimas -un tipo de prote\u00edna-, auxiliaban, probablemente de manera involuntaria, a las m\u00e1s primitivas, que generaban r\u00e9plicas de s\u00ed mismas mediante m\u00e9todos m\u00e1s lentos.<\/p>\n
Aqu\u00e9llas que eran enteramente ego\u00edstas, es decir, por alguna raz\u00f3n incapaces de prestar ayuda, sencillamente desaparecieron. Reci\u00e9n una vez de concluido el proceso de selecci\u00f3n entre participantes cada vez m\u00e1s aptos empezaron a formarse los primeros organismos en la Tierra, probablemente hace 4.500 millones de a\u00f1os.La reconstituci\u00f3n de las bambalinas de la vida en el planeta con este nuevo ingrediente, la cooperaci\u00f3n entre mol\u00e9culas, resulta del trabajo realizado no por un qu\u00edmico o un bi\u00f3logo, tal como ser\u00eda de esperar, sino por un f\u00edsico: el ‘ga\u00facho’ (oriundo de R\u00edo Grande do Sul) Jos\u00e9 Fernando Fontanari, del Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos (IFSC) de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP).<\/p>\n
Hace siete a\u00f1os, Fontanari sospech\u00f3 que las f\u00f3rmulas que presentaba a sus alumnos de mec\u00e1nica estad\u00edstica no servir\u00edan \u00fanicamente para describir los modos por los cuales los \u00e1tomos reaccionan unos con otros. Si se las observa como un modelos de interacci\u00f3n entre part\u00edculas, que solucionasen problemas m\u00e1s amplios, que los bi\u00f3logos trataban apenas de manera conceptual, probablemente por sentirse poco c\u00f3modos entre ecuaciones y modelos matem\u00e1ticos.<\/p>\n
Y su intuici\u00f3n era correcta. En dos art\u00edculos recientes, publicados en octubre y noviembre de 2002 en\u00a0Physical Review Letters<\/em> , Fontanari describe matem\u00e1ticamente c\u00f3mo comenz\u00f3 y transcurri\u00f3 el proceso de selecci\u00f3n que deriv\u00f3 en una mol\u00e9cula vencedora: el ADN, cuya elegante estructura fue descubierta hace exactos 50 a\u00f1os, como resultado de un trabajo conjunto entre f\u00edsicos y bi\u00f3logos, y actualmente es conocida a punto tal que ya no es m\u00e1s necesario recordar que se trata de la sigla del \u00e1cido desoxirribonucleico.<\/p>\n Al acercar la f\u00edsica a la biolog\u00eda, Fontanari resolvi\u00f3 algunas paradojas planteadas hace 30 a\u00f1os por el qu\u00edmico alem\u00e1n Manfred Eigen (Nobel de Qu\u00edmica de 1967). Eigen hab\u00eda creado la teor\u00eda de los replicadores, mol\u00e9culas que logran copiarse a s\u00ed mismas y que en la actualidad, en su versi\u00f3n m\u00e1s refinada -el ADN-, guardan informaciones que inician el proceso de producci\u00f3n de prote\u00ednas, indispensables para la formaci\u00f3n de todas las partes de los seres vivos.<\/p>\n Al ser capaz de atraer fragmentos menores que, una vez unidos, resultar\u00edan en una copia de s\u00ed mismo, el primer replicador surgi\u00f3 por casualidad. “Fue un accidente hist\u00f3rico”, dice Fontanari. Pero bast\u00f3 para cambiar el patr\u00f3n de producci\u00f3n de mol\u00e9culas, antes formadas por la mera agregaci\u00f3n de bloques, como si fueran piezas de un juego de encastre junt\u00e1ndose al azar.Si dependiese de este primer replicador, la vida no tendr\u00eda futuro en la Tierra.<\/p>\n Por ser peque\u00f1o, no pod\u00eda guardar informaci\u00f3n suficiente como para iniciar la fabricaci\u00f3n de prote\u00ednas. Lograba copiarse, actuando como un molde para s\u00ed mismo, pero el proceso era a\u00fan lento y estaba sujeto a errores, que se hac\u00edan cada m\u00e1s frecuentes a medida en que crec\u00eda. “Cuanto mayor es la mol\u00e9cula, m\u00e1s dif\u00edcil y lento resulta hacerse una copia de s\u00ed misma”, dice el f\u00edsico, bas\u00e1ndose en comprobaciones experimentales. “La probabilidad de que el primer replicador hiciera una copia perfecta de s\u00ed mismo era pr\u00e1cticamente nula.”<\/p>\n Un salto estrat\u00e9gico Al formular esta tesis, Eigen not\u00f3 que hab\u00eda algo extra\u00f1o, aquello que m\u00e1s tarde acab\u00f3 siendo conocido como paradoja del altruismo. Al crear una enzima, en lugar de simplemente continuar copi\u00e1ndose, la mol\u00e9cula mutante, que inicia esta nueva generaci\u00f3n de replicadores, hace algo que no ser\u00eda utilizado \u00fanicamente por ella, sino que beneficiaria tambi\u00e9n a los replicadores que a\u00fan se copiaban por molde. “Eigen resolvi\u00f3 los problemas de la complexidad qu\u00edmica del origen de la vida, pero no se dio cuenta de que, de ese modo, habr\u00eda altruismo entre las primeras mol\u00e9culas m\u00e1s evolucionadas de la Tierra”, comenta Fontanari.<\/p>\n El bi\u00f3logo ingl\u00e9s John Maynard Smith, de la Universidad de Sussex, Inglaterra, rechaz\u00f3 esta idea, puesto que consider\u00f3 que ser\u00eda imposible que hubiera altruismo entre mol\u00e9culas. Al analizar este obst\u00e1culo, Fontanari concluy\u00f3 que el nuevo replicador ten\u00eda un precio que pagar por su nueva habilidad: no podr\u00eda copiarse mientras estuviese creando la enzima. Es la misma situaci\u00f3n por la cual pasa un obrero que gana de acuerdo con el n\u00famero de tapas de botellas que cierra manualmente.<\/p>\n Podr\u00eda poner las tapitas m\u00e1s r\u00e1pido si construye una m\u00e1quina, pero, mientras la construyese, no lograr\u00eda cumplir con la meta de producci\u00f3n y ganar\u00eda menos que sus compa\u00f1eros, para quienes el trabajo manual es inevitable. Frente a las mol\u00e9culas ego\u00edstas, que no hab\u00edan parado de generar copias de s\u00ed mismas ni hab\u00edan perdido tiempo creando enzimas, la mol\u00e9cula replicadora estaba en desventaja, y por ello, corr\u00eda peligro de extinci\u00f3n. Pero no estar\u00eda mal colocada si la enzima actuase solamente para ella -algo improbable con la bioqu\u00edmica de la \u00e9poca. De esta manera, la prote\u00edna auxilia a otros replicadores, que usufruct\u00faan sus ventajas sin ning\u00fan costo.<\/p>\n Aislamiento y mezcla Las ecuaciones son acordes con una hip\u00f3tesis que tiene una creciente aceptaci\u00f3n entre los bi\u00f3logos, seg\u00fan la cual la vida habr\u00eda surgido en grietas de rocas, part\u00edculas de barro o gotas de agua, que favorecen el confinamiento de mol\u00e9culas. Otro punto que reforz\u00f3 la tesis es aqu\u00e9l que hace que ya no se diga m\u00e1s que los primeros replicadores habr\u00edan surgido en una mezcla, la llamada sopa primordial, sino en un espacio plano, similar a una pizza -algo as\u00ed como la superficie de una pirita, mineral a base de \u00f3xido de hierro, la m\u00e1s probable candidata a haber albergado formas antiguas de vida. Pasando de un espacio de tres dimensiones a uno de dos, las reacciones qu\u00edmicas se producir\u00edan m\u00e1s f\u00e1cilmente.<\/p>\n Pero a\u00fan no era suficiente. Si permanecieran aislados, los replicadores enzim\u00e1ticos, por el hecho de ser altruistas, ser\u00edan eliminados por los otros, los ego\u00edstas. Por esta raz\u00f3n, Fontanari argumenta que, m\u00e1s all\u00e1 del confinamiento, es preciso que se produzca una mezcla entre los grupos de mol\u00e9culas. “Debido a las mareas o al viento, los grupos se mezclan peri\u00f3dicamente, y se redistribuyen de manera aleatoria en los compartimentos”, dice. “En esa redistribuci\u00f3n, los clones de los replicadores enzim\u00e1ticos, m\u00e1s numerosos, pues consiguen copiarse m\u00e1s r\u00e1pidamente, tienen mayores posibilidades de volver a los compartimentos, mientras que aqu\u00e9llos que no lo logren ser\u00e1n literalmente llevados por el viento”.<\/p>\n \u00c9se es el momento en el que los replicadores enzim\u00e1ticos recuperan la desventaja inicial, ya que la mezcla permite la salida de los ego\u00edstas de grupos abundantes en enzimas, debido a la presencia de los altruistas. Cayendo en grupos pobres en enzimas, los ego\u00edstas pierden poder de replicaci\u00f3n y permiten el aislamiento de los altruistas. “Se demuestra as\u00ed matem\u00e1ticamente que este proceso repetido acaba llevando al predominio del altruismo”, asegura el f\u00edsico.<\/p>\n Pero, \u00bfpor qu\u00e9 rest\u00f3 solamente una mol\u00e9cula, el ADN? “Es un resultado matem\u00e1tico, una consecuencia de la din\u00e1mica de los replicadores”, dice Fontanari. El investigador cree que surgi\u00f3 primero otro tipo de replicador: el ARN o \u00e1cido ribonucleico, una mol\u00e9cula m\u00e1s sencilla (es una cinta simple, mientras que el ADN es una cinta doble, como si fueran dos hilos enrollados entre s\u00ed). Esta idea cobra fuerza con la comprobaci\u00f3n de que el ARN logra actuar como replicador, generando copias de s\u00ed mismo, y como enzima de otra mol\u00e9cula. “El ADN fue una invenci\u00f3n del ARN y de otros replicadores m\u00e1s complejos”, sugiere el f\u00edsico. Pero la invenci\u00f3n m\u00e1s reciente es aqu\u00e9lla que tom\u00f3 las riendas de la evoluci\u00f3n y, en la mayor\u00eda de los organismos -salvo en algunos virus, que almacenan el material gen\u00e9tico bajo forma de ARN-,el ADN fabrica actualmente el ARN en el proceso inicial de la producci\u00f3n de prote\u00ednas.<\/p>\n Este conjunto de ideas, que ayuda tambi\u00e9n a entender por qu\u00e9 existe una sola receta para la producci\u00f3n de prote\u00ednas en cualquier organismo, el llamado c\u00f3digo gen\u00e9tico, pone en cuesti\u00f3n la tesis del individualismo biol\u00f3gico, propagada desde 1976 por el libroEl Gen Ego\u00edsta<\/em> , del bi\u00f3logo ingl\u00e9s Richard Dawkins. Por otro lado, esto en ning\u00fan momento contrar\u00eda el principio de la selecci\u00f3n natural de Charles Darwin. “La naturaleza no necesita otro principio organizador, m\u00e1s all\u00e1 de la selecci\u00f3n natural”, dice.<\/p>\n Las ventajas del sexo – Fontanari resolvi\u00f3 otros impasses que los bi\u00f3logos ya conoc\u00edan, empero, no lograban explicar con precisi\u00f3n c\u00f3mo \u00e9stos surg\u00edan y se desarrollaban. Uno de estos problemas es la reproducci\u00f3n sexuada. Los cient\u00edficos siempre se han preguntado porqu\u00e9 el sexo puede ser una ventaja evolutiva, principalmente para los organismos que cuentan con las dos alternativas -hay protozoarios que pueden duplicarse con autonom\u00eda, sin necesidad de compa\u00f1ero\/a, asegurando as\u00ed la continuidad de todo su material gen\u00e9tico contenido en el ADN, pero optan por la reproducci\u00f3n sexuada, mediante la cual transmiten tan solo la mitad de sus genes. “Existe una presi\u00f3n selectiva a favor de la recombinaci\u00f3n de ADN”, dice Fontanari, que en esta cuesti\u00f3n trabaja con bi\u00f3logos evolucionistas de la Middle Tennessee State Univeristy, Estados Unidos.<\/p>\n El que plante\u00f3 este problema fue el genetista estadounidense Hermann Joseph M\u00fcller (1890-1967), al descubrir que los rayos X pueden causar mutaciones en la moscas de la fruta (Drosophila melanogaster<\/em> ), un hallazgo que le vali\u00f3 el Premio Nobel de Medicina de 1946. A\u00f1os despu\u00e9s, M\u00fcller sentenci\u00f3: las mutaciones (cambios en el ADN) hacen m\u00e1s mal que bien, y se acumulan m\u00e1s r\u00e1pidamente en especies que se reproducen \u00fanicamente de manera asexuada, en un camino sin retorno, que se hizo conocido como molinete de M\u00fcller. El propio M\u00fcller sugiri\u00f3 que la reproducci\u00f3n sexuada, debido a que permite la mezcla de material gen\u00e9tico, lograr\u00eda revertir el molinete y evitar el efecto perjudicial de las mutaciones, hoy en d\u00eda 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 adaptaci\u00f3n de los animales y las plantas al ambiente en el que viven.<\/p>\n Pero faltaba explicar el movimiento del molinete de M\u00fcller, asociado a fen\u00f3menos bastante estudiados, como la degeneraci\u00f3n del cromosoma sexual Y. Fue lo que hizo Fontanari en un art\u00edculo publicado en diciembre de 2001 en\u00a0Physical Review Letters<\/em> : el molinete avanza y la traba corre, pasando de un diente a otro, cuando todos los organismos de una poblaci\u00f3n adquieren la misma mutaci\u00f3n. Ya se sab\u00eda que es m\u00e1s probable que se produzcan pocas y no muchas mutaciones -en un virus, por cada replicaci\u00f3n surge al menos una mutaci\u00f3n por genoma.<\/p>\n El investigador de S\u00e3o Carlos concluye el art\u00edculo con dos f\u00f3rmulas que, seg\u00fan \u00e9l, “tienen gran potencial para uso pr\u00e1ctico”, pues determinan el \u00edndice de mutaci\u00f3n por genoma y la intensidad de la selecci\u00f3n natural, siempre y cuando se conozca la distribuci\u00f3n de la adaptabilidad de una especie, medida por medio de la frecuencia de individuos con diferentes capacidades de supervivencia en un mismo ambiente.<\/p>\n “Si no existiera un mecanismo como el molinete de M\u00fcller, que indicase que los microorganismos con reproducci\u00f3n asexuada estar\u00edan en desventaja por no lograr anular la mutaci\u00f3n, las formas asexuadas prevalecer\u00edan”, dice. El mismo trabajo muestra por qu\u00e9 el molinete no para, aunque su movimiento sea lento. \u00bfCu\u00e1n lento? “Depende del tiempo de generaci\u00f3n del organismo involucrado”, responde Fontanari. Para las bacterias, que crean una nueva generaci\u00f3n cada 20 minutos, el molinete correr\u00e1 un diente cada 40 a\u00f1os, que corresponden a 1 mill\u00f3n de generaciones.<\/p>\n La eliminaci\u00f3n de las mutaciones que incesantemente alteram el ADN, mediante la producci\u00f3n continua de nuevos seres, puede entenderse tambi\u00e9n mediante la analog\u00eda con la Teor\u00eda de la Reina Roja, que remite a un personaje del escritor brit\u00e1nico Lewis Carroll, en\u00a0Alicia a trav\u00e9s del Espejo<\/em> . La Reina Roja no dejaba que nadie parase de correr, argumentando: “Debemos continuar corriendo para permanecer en el mismo lugar”.<\/p>\n El Proyecto<\/strong>
\n<\/strong>Pero, alg\u00fan tiempo despu\u00e9s, hubo otro accidente hist\u00f3rico. Los descendientes del primer replicador, diferentes con relaci\u00f3n al original, debido a los errores acumulados, consiguen crear, al inaugurar el tercer patr\u00f3n de confecci\u00f3n de mol\u00e9culas, que perdura hasta hoy: los moldes intermedios. Son las enzimas, un tipo de prote\u00edna que acelera las reacciones qu\u00edmicas. Con ellas, el replicador gana tiempo, evita errores y genera m\u00e1s copias de s\u00ed mismo. Y est\u00e1 tambi\u00e9n m\u00e1s protegido contra los ataques de otras mol\u00e9culas, una situaci\u00f3n similar a la encontrada en algunos tipos de virus, en los cuales una mol\u00e9cula act\u00faa como tapa del material gen\u00e9tico.<\/p>\n
\n<\/strong>As\u00ed y todo, surgi\u00f3 una dificultad. “El estudio matem\u00e1tico de la din\u00e1mica de la evoluci\u00f3n de estos dos tipos de replicadores que compiten por sus bloques formadores muestra que los replicadores enzim\u00e1ticos no pueden invadir ni tampoco coexistir con la poblaci\u00f3n de replicadores tipo molde”, comenta el f\u00edsico. “Pero sabemos que la invasi\u00f3n debe haberse producido, pues los replicadores actuales son del tipo enzim\u00e1tico”. Pero, \u00bfc\u00f3mo salir de all\u00ed y explicar el altruismo, una aparente desventaja? Fontanari resolvi\u00f3 el enigma al demostrar, matem\u00e1ticamente, que el replicador enzim\u00e1tico logra sobrevivir, pese a ser generoso con los compa\u00f1eros, prest\u00e1ndoles su preciosa enzima, siempre y cuando que \u00e9ste permanezca confinado en un espacio restringido o no pueda moverse mucho, de manera tal que la enzima se mantenga cerca de la mol\u00e9cula madre.<\/p>\n
\nEvoluci\u00f3n Molecular Te\u00f3rica<\/em>
\nModalidad<\/strong>
\nProyecto tem\u00e1tico
\nCoordinador<\/strong>
\nJos\u00e9 Fernando Fontanari – Instituto de F\u00edsica de S\u00e3o Carlos – USP
\nInversi\u00f3n<\/strong>
\nR$ 148.000,00<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un modelo matem\u00e1tico describe la competencia entablada entre mol\u00e9culas que result\u00f3 en la aparici\u00f3n de los seres vivos en la Tierra","protected":false},"author":17,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[5968],"class_list":["post-76589","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/76589","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/17"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=76589"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/76589\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=76589"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=76589"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=76589"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=76589"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}