En química , un hiperciclo es un modelo abstracto de organización de moléculas autorreplicantes conectadas de manera cíclica y autocatalítica . Fue introducido en una forma de ecuación diferencial ordinaria (ODE) por el premio Nobel Manfred Eigen en 1971 [1] y posteriormente ampliado en colaboración con Peter Schuster . [2] [3] Se propuso como una solución al problema del umbral de error encontrado durante el modelado de moléculas replicativas que hipotéticamente existían en la Tierra primordial (ver: abiogénesis). Como tal, explicó cómo la vida en la Tierra podría haber comenzado a usar solo secuencias genéticas relativamente cortas , que en teoría eran demasiado cortas para almacenar toda la información esencial. [3] El hiperciclo es un caso especial de la ecuación del replicador . [4] Las propiedades más importantes de los hiperciclos son la competencia de crecimiento autocatalítico entre ciclos, el comportamiento selectivo de una vez para siempre, la utilización de una pequeña ventaja selectiva, la rápida evolución, el aumento de la capacidad de información y la selección contra ramas parasitarias . [1]
El hiperciclo es un ciclo de macromoléculas conectadas y autorreplicantes . En el hiperciclo, todas las moléculas están unidas de modo que cada una de ellas cataliza la creación de su sucesora, y la última molécula cataliza a la primera. De esta manera, el ciclo se refuerza. Además, cada molécula es, además, objeto de autorreplicación. El sistema resultante es un nuevo nivel de autoorganización que incorpora tanto la cooperación como el egoísmo. La coexistencia de muchas moléculas genéticamente no idénticas permite mantener una alta diversidad genética de la población . Esto puede ser una solución al problema del umbral de error, que establece que, en un sistema sin replicación ideal , un exceso de eventos de mutación destruiría la capacidad de transportar información y evitaría la creación de macromoléculas más grandes y en mejor forma. Además, se ha demostrado que los hiperciclos podrían originarse de forma natural y que la incorporación de nuevas moléculas puede extenderlos [¿fuente?] . Los hiperciclos también están sujetos a evolución y, como tales, pueden sufrir un proceso de selección . Como resultado, el sistema no solo obtiene información, sino que su contenido de información puede mejorarse. Desde un punto de vista evolutivo, el hiperciclo es un estado intermedio de autoorganización, pero no la solución final. [1]
A lo largo de los años, la teoría del hiperciclo ha experimentado muchas reformulaciones y enfoques metodológicos. Entre ellos, los más notables son las aplicaciones de ecuaciones diferenciales parciales , [5] autómatas celulares , [6] [7] [8] [9] y formulaciones estocásticas del problema de Eigen. [10] [11] A pesar de las muchas ventajas que presenta el concepto de hiperciclos, también hubo algunos problemas con respecto a la formulación del modelo tradicional que utiliza EDO: una vulnerabilidad a los parásitos y un tamaño limitado de hiperciclos estables. [6] [7] [8] [9] [10] [12] [13] En 2012, se publicó la primera prueba experimental del surgimiento de una red cooperativa entre fragmentos de ribozimas autoensamblantes , demostrando sus ventajas sobre las propias -ciclos de replicación. [14] Sin embargo, aunque este experimento demuestra la existencia de cooperación entre las subredes de ribozimas recombinasas , esta red cooperativa no forma un hiperciclo per se, por lo que todavía carecemos de la demostración experimental de hiperciclos. [15]
Formulación del modelo
Evolución del modelo
- 1971Eigen presenta el concepto de hiperciclo [1] :
- 1977Eigen y Schuster amplían el concepto de hiperciclo, proponen una teoría de hiperciclo e introducen el concepto de cuasiespecie [2] :
- mil novecientos ochenta y dosDescubrimiento de las propiedades catalíticas de las ribozimas [16] [17] :
- 2001La ribozima de ARN polimerasa parcial se diseña mediante evolución dirigida [18] :
- 2012Demostración experimental de que las ribozimas pueden formar conjuntos autocatalíticos colectivamente [15] :
Problema de umbral de error
Cuando se creó un modelo de moléculas en replicación, [1] [2] se encontró que, para un almacenamiento efectivo de información , las macromoléculas en la Tierra prebiótica no podían exceder un cierto umbral de longitud. Este problema se conoce como problema de umbral de error. Surge porque la replicación es un proceso imperfecto, y durante cada evento de replicación, existe el riesgo de incorporar errores en una nueva secuencia , lo que lleva a la creación de una cuasiespecie . En un sistema que está privado de réplicas de alta fidelidad y mecanismos de corrección de errores , las mutaciones ocurren con una alta probabilidad. Como consecuencia, la información almacenada en una secuencia se puede perder debido a la rápida acumulación de errores, lo que se conoce como catástrofe de errores . Además, se demostró que el tamaño del genoma de cualquier organismo es aproximadamente igual a la inversa de la tasa de mutación por sitio por replicación. [19] [20] [21] Por lo tanto, una alta tasa de mutación impone una seria limitación en la longitud del genoma. Para superar este problema, se necesita una maquinaria de replicación más especializada que pueda copiar información genética con mayor fidelidad. Manfred Eigen sugirió que las proteínas son necesarias para realizar esta tarea. [1] Sin embargo, para codificar un sistema tan complejo como una proteína, se necesitan secuencias de nucleótidos más largas, lo que aumenta aún más la probabilidad de una mutación y requiere una maquinaria de replicación aún más compleja. Este círculo vicioso se conoce como la paradoja de Eigen. [3]
Según las estimaciones actuales, la longitud máxima de una cadena replicada que se puede reproducir y mantener correctamente en sistemas sin enzimas es de aproximadamente 100 bases , lo que se supone que es insuficiente para codificar la maquinaria de replicación. Esta observación fue la motivación para la formulación de la teoría del hiperciclo. [22]
Modelos
Se sugirió que el problema de construir y mantener moléculas más grandes, más complejas y replicadas con mayor precisión se puede eludir si varios portadores de información, cada uno de ellos almacenando una pequeña parte de la información, están conectados de manera que solo controlen su propia concentración . [1] [2] Los estudios del modelo matemático que describe moléculas replicantes revelaron que para observar un comportamiento cooperativo entre moléculas autorreplicantes, tienen que estar conectadas por un circuito de retroalimentación positiva de acciones catalíticas . [23] [24] [25] Este tipo de red cerrada que consta de entidades autorreplicantes conectadas por un bucle catalítico de retroalimentación positiva se denominó hiperciclo elemental. Este concepto, además de una mayor capacidad de información, tiene otra ventaja. Vincular la autorreplicación con la catálisis mutua puede producir un crecimiento no lineal del sistema. Esto, en primer lugar, hace que el sistema sea resistente a las denominadas ramas parasitarias. Las ramas parasitarias son especies acopladas a un ciclo que no aportan ninguna ventaja a la reproducción de un ciclo, lo que, a su vez, las inutiliza y disminuye el valor selectivo del sistema. En segundo lugar, refuerza la autoorganización de las moléculas en el hiperciclo, permitiendo que el sistema evolucione sin perder información, lo que resuelve el problema del umbral de error. [2]
El análisis de moléculas potenciales que podrían formar los primeros hiperciclos en la naturaleza impulsó la idea de acoplar una función portadora de información con propiedades enzimáticas. En el momento de la formulación de la teoría del hiperciclo, las propiedades enzimáticas se atribuían solo a las proteínas , mientras que los ácidos nucleicos se reconocían solo como portadores de información. Esto llevó a la formulación de un modelo más complejo de hiperciclo con traducción . El modelo propuesto consta de varias secuencias de nucleótidos I ( I significa intermedio) y el mismo número de cadenas polipeptídicas E ( E significa enzima). Secuencias que tienen una longitud de cadena limitada y llevan la información necesaria para construir cadenas catalítica E . La secuencia I i proporciona la matriz para reproducirse y una matriz para construir la proteína E i . La proteína E i proporciona el soporte catalítico para construir la siguiente secuencia del ciclo, I i +1 . Las secuencias auto-replicantes I forman un ciclo que consta de hebras positivas y negativas que se reproducen periódicamente sí mismos. Por lo tanto, muchos ciclos de los colectivos de nucleótidos +/− están unidos por el ciclo de segundo orden de propiedades enzimáticas de E , formando un hiperciclo catalítico. Sin el bucle secundario proporcionado por la catálisis, las cadenas I competirían y se seleccionarían entre sí en lugar de cooperar. La reproducción es posible gracias a las funciones de traducción y polimerización codificadas en cadenas I. En su obra principal, Manfred Eigen afirmó que la E codificado por la I cadena puede ser un específico de la polimerasa o un potenciador (o un silenciador ) de una polimerasa más general que actúa en favor de la formación del sucesor de cadena de nucleótidos I . Posteriormente, indicó que una polimerasa general conduce a la muerte del sistema. [2] Además, el ciclo completo debe estar cerrado, de modo que E n debe catalizar la formación de I 1 para algún número entero n > 1. [1] [2]
Conceptos alternativos
Durante su investigación, Eigen y Schuster también consideraron tipos de acoplamiento de proteínas y nucleótidos distintos de los hiperciclos. Una de esas alternativas fue un modelo con una replicasa que realizaba la funcionalidad de polimerasa y que era un producto de traducción de una de las matrices de ARN existentes entre las cuasiespecies. Esta ARN polimerasa dependiente de ARN catalizó la replicación de secuencias que tenían motivos específicos reconocidos por esta replicasa. Las otras matrices de ARN, o solo una de sus cadenas, proporcionaron productos de traducción que tenían anticodones específicos y eran responsables de la asignación y el transporte únicos de aminoácidos. [2]
Otro concepto ideado por Eigen y Schuster fue un modelo en el que la replicación de cada plantilla de ARN fue catalizada por su propio producto de traducción; al mismo tiempo, esta plantilla de ARN realizó una función de transporte para un tipo de aminoácido. La existencia de más de una plantilla de ARN de este tipo podría hacer posible la traducción. [2]
Sin embargo, en ambos conceptos alternativos, el sistema no sobrevivirá debido a la competencia interna entre sus componentes. Incluso si ninguno de los constituyentes de tal sistema se favorece selectivamente, lo que potencialmente permite la coexistencia de todas las moléculas acopladas, no son capaces de coevolucionar y optimizar sus propiedades. En consecuencia, el sistema pierde su estabilidad interna y no puede seguir viviendo. La razón de la incapacidad para sobrevivir es la falta de control mutuo de las abundancias constituyentes . [2]
Modelo matemático
Hiperciclo elemental
La dinámica del hiperciclo elemental se puede modelar utilizando la siguiente ecuación diferencial : [3]
dónde
En la ecuación anterior, x i es la concentración de la plantilla I i ; x es la concentración total de todas las plantillas; k i es la tasa de producción en exceso de la plantilla I i , que es una diferencia entre la formación f i por autorreplicación de la plantilla y su degradación d i , generalmente por hidrólisis ; k i , j es la tasa de producción de la plantilla I i catalizada por I j ; y φ es un flujo de dilución ; lo que garantiza que la concentración total sea constante. Las tasas de producción y degradación se expresan en número de moléculas por unidad de tiempo a concentración unitaria ( x i = 1). Suponiendo que a una concentración alta x el término k i puede despreciarse y, además, en el hiperciclo, una plantilla solo puede replicarse por sí misma y por el miembro anterior del ciclo, la ecuación se puede simplificar a: [3]
donde de acuerdo con las propiedades cíclicas, se puede suponer que
Hiperciclo con traducción
Un hiperciclo con traducción consta de polinucleótidos I i (con concentración x i ) y polipéptidos E i (con concentración y i ). Se supone que la cinética de la síntesis de nucleótidos sigue un esquema de reacción tipo Michaelis-Menten en el que no se puede despreciar la concentración de complejos. Durante la replicación, las moléculas forman complejos I i E i -1 (que ocurren con concentración z i ). Así, la concentración total de moléculas ( x i 0 y y i 0 ) será la suma de moléculas libres y moléculas involucradas en un complejo:
La dinámica del hiperciclo con traducción se puede describir mediante un sistema de ecuaciones diferenciales que modela el número total de moléculas:
dónde
En las ecuaciones anteriores, c E y c I son concentraciones totales de todos los polipéptidos y todos los polinucleótidos, φ x e φ y son flujos de dilución, k i es la tasa de producción del polipéptido E i traducido del polinucleótido I i , y f i es la tasa de producción del polinucleótido I i sintetizado por el complejo I i E i -1 (a través de la replicación y polimerización). [3]
El acoplamiento de ácidos nucleicos con proteínas en tal modelo de hiperciclo con traducción exigía el modelo adecuado para el origen del código de traducción como condición necesaria para el origen de la organización del hiperciclo. En el momento de la formulación de la teoría del hiperciclo, Crick y sus colaboradores propusieron dos modelos para el origen del código de traducción. Estos eran modelos que indicaban que los primeros codones se construyeron de acuerdo con un esquema RRY o RNY, en el que R representa la base de purina, Y para pirimidina y N para cualquier base, y se supone que el último es más confiable. Hoy en día, se supone que el modelo de hiperciclo podría realizarse mediante la utilización de ribozimas sin la necesidad de un hiperciclo con traducción, y existen muchas más teorías sobre el origen del código genético . [26]
Evolución
Formación de los primeros hiperciclos
Eigen hizo varias suposiciones sobre las condiciones que llevaron a la formación de los primeros hiperciclos. [2] Algunas de ellas fueron consecuencia de la falta de conocimiento sobre las ribozimas, que fueron descubiertas unos años después de la introducción del concepto de hiperciclo [16] [17] y negaron los supuestos de Eigen en sentido estricto. El principal de ellos fue que la formación de hiperciclos había requerido la disponibilidad de ambos tipos de cadenas: ácidos nucleicos que forman una población de cuasiespecies y proteínas con funciones enzimáticas. Hoy en día, teniendo en cuenta el conocimiento sobre las ribozimas, es posible que los miembros de un hiperciclo fueran seleccionados de la población de cuasiespecies y que la función enzimática fuera realizada por el ARN. Según la teoría del hiperciclo, la primera polimerasa primitiva surgió precisamente de esta población. Como consecuencia, la replicación catalizada podría superar las reacciones no catalizadas y el sistema podría crecer más rápido. Sin embargo, este rápido crecimiento fue una amenaza para el sistema emergente, ya que todo el sistema podría perder el control sobre la cantidad relativa de ARN con función enzimática. El sistema requería un control más confiable de sus componentes, por ejemplo, incorporando el acoplamiento de ARN esenciales en un circuito de retroalimentación positiva. Sin este circuito de retroalimentación, el sistema de replicación se perdería. Estos bucles de retroalimentación positiva formaron los primeros hiperciclos. [2]
En el proceso descrito anteriormente, el hecho de que los primeros hiperciclos se originaran a partir de la población de cuasiespecies (una población de secuencias similares) creó una ventaja significativa. Una posibilidad de enlazar diferentes cadenas I —lo cual es relativamente fácil de lograr teniendo en cuenta las propiedades de las cuasiespecies— es que la cadena única I mejora la síntesis de la cadena similar I '. De esta forma, la existencia de secuencias I similares originadas en la misma población de cuasiespecies promueve la creación del enlace entre las moléculas I e I '. [2]
Dinámica evolutiva
Después de la formación, un hiperciclo alcanza un equilibrio interno o un estado con concentraciones oscilantes de cada tipo de cadena I , pero con la concentración total de todas las cadenas que permanece constante. De esta manera, el sistema que consta de todas las cadenas se puede expresar como una entidad única e integrada. Durante la formación de hiperciclos, varios de ellos podrían estar presentes en concentraciones comparables, pero muy pronto se llevará a cabo una selección del hiperciclo con el valor de aptitud más alto . [1] Aquí, el valor de aptitud expresa la adaptación del hiperciclo al entorno , y la selección basada en él es muy aguda. Después de que un hiperciclo gana la competencia, es muy poco probable que otro pueda ocupar su lugar, incluso si el nuevo hiperciclo fuera más eficiente que el ganador. Por lo general, incluso las grandes fluctuaciones en el número de especies internas no pueden debilitar el hiperciclo lo suficiente como para destruirlo. En el caso de un hiperciclo, podemos hablar de una selección para siempre, que es responsable de la existencia de un código de traducción único y una quiralidad particular . [2]
La idea descrita anteriormente de la robustez de un hiperciclo resulta de un crecimiento exponencial de sus componentes causado por el soporte catalítico. Sin embargo, Eörs Szathmáry e Irina Gladkih demostraron que se puede obtener una coexistencia incondicional incluso en el caso de una replicación de plantilla no enzimática que conduzca a un crecimiento subexponencial o parabólico. Esto se pudo observar durante las etapas que preceden a una replicación catalítica que son necesarias para la formación de hiperciclos. La coexistencia de varias secuencias que no se replican enzimáticamente podría ayudar a mantener una diversidad suficiente de módulos de ARN utilizados posteriormente para construir moléculas con funciones catalíticas. [27]
Desde el punto de vista matemático, es posible encontrar las condiciones necesarias para la cooperación de varios hiperciclos. Sin embargo, en realidad, la cooperación de hiperciclos sería extremadamente difícil, porque requiere la existencia de un complicado mecanismo bioquímico de múltiples pasos o la incorporación de más de dos tipos de moléculas. Ambas condiciones parecen muy improbables; por lo tanto, se supone que la existencia de hiperciclos acoplados es imposible en la práctica. [2]
La evolución de un hiperciclo resulta de la creación de nuevos componentes por la mutación de su especie interna. Las mutaciones se pueden incorporar al hiperciclo, ampliándolo si, y solo si, se cumplen dos requisitos. En primer lugar, un nuevo portador de información que nuevo creado por la mutación debe ser mejor reconocido por uno de los miembros de la hiperciclo I i de la cadena I i 1 que estaba previamente reconocida por ella. En segundo lugar, el nuevo miembro I nuevo del ciclo tiene que catalizar mejor la formación del polinucleótido I i +1 que fue catalizado previamente por el producto de su predecesor I i . En teoría, es posible incorporar en el hiperciclo mutaciones que no satisfacen la segunda condición. Formarían ramas parásitas que utilizan el sistema para su propia replicación, pero no contribuyen al sistema en su conjunto. Sin embargo, se notó que tales mutantes no representan una amenaza para el hiperciclo, porque otros componentes del hiperciclo crecen de manera no lineal, lo que evita que las ramas parasitarias crezcan. [2]
Dinámica evolutiva: un modelo matemático
Según la definición de hiperciclo, es un sistema dinámico no lineal y, en el caso más simple, se puede suponer que crece a una tasa determinada por un sistema de ecuaciones diferenciales cuadráticas. Luego, la competencia entre hiperciclos en evolución se puede modelar utilizando la ecuación diferencial: [3]
dónde
Aquí, C l es la concentración total de todas las cadenas de polinucleótidos que pertenecen a un hiperciclo H l , C es la concentración total de cadenas de polinucleótidos que pertenecen a todos los hiperciclos, q l es la tasa de crecimiento y φ es un flujo de dilución que garantiza que la concentración total es constante. Según el modelo anterior, en la fase inicial, cuando existen varios hiperciclos, se lleva a cabo la selección del hiperciclo con el mayor valor de q l . Cuando un hiperciclo gana la selección y domina la población, es muy difícil reemplazarlo, incluso con un hiperciclo con una tasa de crecimiento q mucho más alta . [3]
Compartimentación e integración del genoma
La teoría del hiperciclo propuso que los hiperciclos no son el estado final de la organización, y es posible un mayor desarrollo de sistemas más complicados envolviendo el hiperciclo en algún tipo de membrana . [2] Después de la evolución de los compartimentos , la integración del genoma del hiperciclo puede proceder uniendo sus miembros en una sola cadena, que forma un precursor de un genoma . Después de eso, todo el hiperciclo individualizado y compartimentado puede comportarse como una simple entidad autorreplicante. La compartimentación proporciona algunas ventajas para un sistema que ya ha establecido un vínculo entre unidades. Sin compartimentos, la integración del genoma impulsaría la competencia al limitar el espacio y los recursos. Además, la evolución adaptativa requiere el paquete de información transmisible para mutaciones ventajosas con el fin de no ayudar a las copias menos eficientes del gen. La primera ventaja es que mantiene una alta concentración local de moléculas, lo que ayuda a incrementar localmente la tasa de síntesis. En segundo lugar, mantiene el efecto de las mutaciones localmente, mientras que al mismo tiempo afecta a todo el compartimento. Esto favorece la conservación de mutaciones beneficiosas, porque evita que se propaguen. Al mismo tiempo, las mutaciones dañinas no pueden contaminar todo el sistema si están encerradas por la membrana. En cambio, solo se destruye el compartimento contaminado, sin afectar a otros compartimentos. De esa forma, la compartimentación permite la selección de mutaciones genotípicas. En tercer lugar, las membranas protegen contra los factores ambientales porque constituyen una barrera para las moléculas de alto peso o la irradiación UV . Finalmente, la superficie de la membrana puede actuar como catalizador. [3]
A pesar de las ventajas mencionadas anteriormente, también existen problemas potenciales relacionados con los hiperciclos compartimentados. Estos problemas incluyen la dificultad en el transporte de ingredientes hacia adentro y hacia afuera, la sincronización de la síntesis de nuevas copias de los componentes del hiperciclo y la división del compartimiento de cultivo vinculada a un problema de empaque. [2]
En los trabajos iniciales, la compartimentación se planteó como una consecuencia evolutiva de la organización hipercíclica. Carsten Bresch y sus colaboradores objetaron que la organización hipercíclica no es necesaria si se tienen en cuenta los compartimentos. [28] Propusieron el llamado modelo de paquete en el que un tipo de polimerasa es suficiente y copia todas las cadenas de polinucleótidos que contienen un motivo de reconocimiento especial. Sin embargo, como señalan los autores, dichos paquetes son, a diferencia de los hiperciclos, vulnerables a mutaciones deletéreas, así como a un abismo de fluctuación, lo que da como resultado paquetes que carecen de una de las moléculas de ARN esenciales. Eigen y sus colegas argumentaron que un simple paquete de genes no puede resolver el problema de integración de la información y que los hiperciclos no se pueden reemplazar simplemente por compartimentos, pero los compartimentos pueden ayudar a los hiperciclos. [29] Este problema, sin embargo, generó más objeciones, y Eörs Szathmáry y László Demeter reconsideraron si empaquetar hiperciclos en compartimentos es una etapa intermedia necesaria de la evolución. Inventaron un modelo corrector estocástico [10] que suponía que las plantillas replicativas compiten dentro de los compartimentos, y los valores selectivos de estos compartimentos dependen de la composición interna de las plantillas. Las simulaciones numéricas mostraron que cuando se tienen en cuenta los efectos estocásticos, la compartimentación es suficiente para integrar la información dispersa en replicadores competitivos sin la necesidad de una organización de hiperciclo. Además, se demostró que los hiperciclos compartimentados son más sensibles a la entrada de mutaciones deletéreas que un simple paquete de genes competidores. Sin embargo, los modelos de paquetes no resuelven el problema del umbral de error que motivó originalmente el hiperciclo. [30]
Ribozimas
En el momento de la formulación de la teoría del hiperciclo, no se conocían las ribozimas. Después del gran avance del descubrimiento de las propiedades catalíticas del ARN en 1982, [16] [17] se descubrió que el ARN tenía la capacidad de integrar proteínas y propiedades de la cadena de nucleótidos en una sola entidad. Las ribozimas que potencialmente sirven como plantillas y catalizadores de la replicación pueden considerarse componentes de cuasiespecies que pueden autoorganizarse en un hiperciclo sin la necesidad de inventar un proceso de traducción. En 2001, se diseñó una ribozima de ARN polimerasa parcial mediante evolución dirigida . [18] Sin embargo, fue capaz de catalizar solo una polimerización de una cadena que tenía un tamaño de aproximadamente 14 nucleótidos, a pesar de que tenía 200 nucleótidos de longitud. La versión más actualizada de esta polimerasa se mostró en 2013. [31] Si bien tiene la capacidad de catalizar la polimerización de secuencias más largas, incluso de su propia longitud, no puede replicarse debido a una falta de generalidad de secuencia y su incapacidad para atravesar estructuras secundarias de plantillas de ARN largas. Sin embargo, recientemente se demostró que esas limitaciones podrían, en principio, superarse mediante el ensamblaje de ribozimas polimerasas activas a partir de varias cadenas cortas de ARN. [32] En 2014, se demostró una ribozima polimerasa de ARN quiral cruzada. [33] Se planteó la hipótesis de que ofrece un nuevo modo de reconocimiento entre una enzima y sustratos, que se basa en la forma del sustrato, y permite evitar el emparejamiento Watson-Crick y, por lo tanto, puede proporcionar una mayor generalidad de secuencia. Varios otros experimentos han demostrado que, además de tener propiedades de polimerasa, las ribozimas podrían haber desarrollado otros tipos de actividad catalítica evolutivamente útil, tales como actividades sintasa , ligasa o aminoacilasa . [18] Los aminoaciladores ribozimales y las ribozimas con la capacidad de formar enlaces peptídicos podrían haber sido cruciales para inventar la traducción. Una ARN ligasa, a su vez, podría unir varios componentes de cuasiespecies en una cadena, comenzando el proceso de integración del genoma. Un ARN con actividad sintasa o sintetasa podría ser fundamental para construir compartimentos y proporcionar bloques de construcción para el crecimiento de cadenas de ARN y proteínas, así como otros tipos de moléculas. Actualmente se conocen muchos ejemplos de este tipo de ribozima, incluida una ribozima peptidil transferasa , [34] una ligasa, [35] [36] y una nucleótido sintetasa . [37] Un transaminoacilador descrito en 2013 tiene cinco nucleótidos, [38] que es suficiente para una reacción de trans-amino acilación y lo convierte en la ribozima más pequeña que se ha descubierto. Es compatible con una síntesis de peptidil-ARN que podría ser un precursor del proceso contemporáneo de unir aminoácidos a moléculas de ARNt. El dominio catalítico de una ligasa de ARN, que consta de 93 nucleótidos, demostró ser suficiente para catalizar una reacción de enlace entre dos cadenas de ARN. [39] De manera similar, una ribozima de aciltransferasa de 82 nucleótidos de longitud fue suficiente para realizar una reacción de transferencia de acilo. [40] En conjunto, los resultados relacionados con el dominio catalítico de la ARN ligasa y la ribozima aciltransferasa están de acuerdo con el límite superior estimado de 100 nucleótidos establecido por el problema del umbral de error. Sin embargo, se planteó la hipótesis de que incluso si se estima que las primeras polimerasas de ARN dependientes de ARN putativas son más largas (la ribozima polimerasa dependiente de ARN más pequeña informada hasta la fecha tiene 165 nucleótidos de longitud [18]) , no tenían que surgir en un solo paso. Es más plausible que la ligadura de cadenas de ARN más pequeñas realizada por las primeras ligasas de ARN dio como resultado una cadena más larga con el dominio de polimerasa catalíticamente activo deseado. [41]
Cuarenta años después de la publicación del trabajo principal de Manfred Eigen dedicado a los hiperciclos, [1] Nilesh Vaidya y sus colegas demostraron experimentalmente que las ribozimas pueden formar ciclos catalíticos y redes capaces de expandir sus tamaños mediante la incorporación de nuevos miembros. [14] Sin embargo, esto no es una demostración de un hiperciclo de acuerdo con su definición, sino un ejemplo de un conjunto colectivamente autocatalítico . [15] Las simulaciones por computadora anteriores mostraron que las redes moleculares pueden surgir, evolucionar y ser resistentes a las ramas de ARN parasitarias . [42] En sus experimentos, Vaidya et al. usó una ribozima intrón del grupo I de Azoarcus que, cuando se fragmenta, tiene la capacidad de autoensamblarse catalizando reacciones de recombinación de manera autocatalítica. Mutaron las secuencias de tres nucleótidos de longitud responsables del reconocimiento de las secuencias diana en el extremo opuesto de la ribozima (a saber, secuencias guía internas o IGS), así como estas secuencias diana. Algunos genotipos podrían introducir la cooperación reconociendo las secuencias diana de las otras ribozimas, promoviendo su unión covalente , mientras que otros genotipos egoístas solo pudieron autoensamblarse. En la separación, el subsistema egoísta creció más rápido que el cooperativo. Después de mezclar ribozimas egoístas con cooperativas, se observó la aparición de un comportamiento cooperativo en una población fusionada, superando a los subsistemas de autoensamblaje. Además, las ribozimas egoístas se integraron en la red de reacciones, apoyando su crecimiento. Estos resultados también fueron explicados analíticamente por el modelo ODE y su análisis. Se diferencian sustancialmente de los resultados obtenidos en dinámica evolutiva . [43] Según la teoría de la dinámica evolutiva, las moléculas egoístas deberían dominar el sistema incluso si la tasa de crecimiento del subsistema egoísta de forma aislada es menor que la tasa de crecimiento del sistema cooperativo. Además, Vaidya et al. demostró que, cuando se fragmentan en más piezas, las ribozimas que son capaces de autoensamblarse no solo pueden seguir formando ciclos catalíticos sino que, de hecho, los favorecen. Los resultados obtenidos de los experimentos de Vaidya et al. dio una idea de cómo las polimerasas prebióticas ineficientes, capaces de sintetizar solo oligómeros cortos , podrían ser suficientes en la etapa anterior a la vida para desencadenar la vida. Esto podría suceder porque acoplar la síntesis de fragmentos cortos de ARN por las primeras polimerasas ribozimales a un sistema capaz de autoensamblar no solo permite construir secuencias más largas sino que también permite explotar el espacio de aptitud de manera más eficiente con el uso del proceso de recombinación . Otro experimento realizado por Hannes Mutschler et al. [32] mostró que la RNA polimerasa ribozima, que describieron, puede sintetizarse in situ a partir de la ligación de cuatro fragmentos más pequeños, similar a una recombinación de Azoarcus ribozima de cuatro fragmentos de oligonucleótidos inactivos descritos anteriormente. Aparte de una contribución sustancial de los experimentos anteriores a la investigación sobre el origen de la vida, no han probado experimentalmente la existencia de hiperciclos. [44]
Problemas relacionados y reformulaciones
El concepto de hiperciclo se ha estudiado continuamente desde su origen. Poco después de que Eigen y Schuster publicaran su trabajo principal sobre hiperciclos, [2] John Maynard Smith planteó una objeción de que el soporte catalítico para la replicación dado a otras moléculas es altruista. [45] Por lo tanto, no se puede seleccionar y mantener en un sistema. También subrayó la vulnerabilidad del hiperciclo a los parásitos, ya que se ven favorecidos por la selección. Más tarde, Josef Hofbauer y Karl Sigmund [46] indicaron que, en realidad, un hiperciclo sólo puede mantener menos de cinco miembros. De acuerdo con el análisis principal de Eigen y Schuster, argumentaron que los sistemas con cinco o más especies exhiben un comportamiento cíclico limitado e inestable , porque algunas especies pueden morir debido a eventos estocásticos y romper el ciclo de retroalimentación positiva que sostiene el hiperciclo. Luego sigue la extinción del hiperciclo. También se enfatizó que un tamaño de hiperciclo de hasta cuatro es demasiado pequeño para mantener la cantidad de información suficiente para cruzar el umbral de información. [2]
Varios investigadores propusieron una solución a estos problemas introduciendo espacio en el modelo inicial, ya sea explícitamente [6] [13] [47] [48] o en forma de segregación espacial dentro de los compartimentos. [10] [28] Bresch y col. [28] propuso un modelo de paquete como solución para el problema de los parásitos. Posteriormente, Szathmáry y Demeter [10] propusieron un modelo de máquina correctora estocástica. Ambos sistemas compartimentados demostraron ser robustos contra los parásitos. Sin embargo, los modelos de paquetes no resuelven el problema del umbral de error que motivó originalmente la idea del hiperciclo. Unos años más tarde, Maarten Boerlijst y Paulien Hogeweg , y más tarde Nobuto Takeuchi, estudiaron las ecuaciones del replicador con el uso de ecuaciones diferenciales parciales [5] y modelos de autómatas celulares, [6] [7] [9] métodos que ya demostraron ser exitoso en otras aplicaciones. [49] [50] Demostraron que la autoestructuración espacial del sistema resuelve por completo el problema de la extinción global de grandes sistemas y, en parte, el problema de los parásitos. [13] Este último también fue analizado por Robert May , [12] quien notó que un patrón de onda espiral giratoria emergente , que se observó durante las simulaciones computacionales realizadas en autómatas celulares, demostró ser estable y capaz de sobrevivir a la invasión de parásitos si aparecen a cierta distancia del núcleo de la onda. Desafortunadamente, en este caso, la rotación se desacelera a medida que aumenta el número de miembros del hiperciclo, lo que significa que la selección tiende a disminuir la cantidad de información almacenada en el hiperciclo. Además, también existe el problema de agregar nueva información al sistema. Para ser preservada, la nueva información debe aparecer cerca del núcleo de la onda espiral. Sin embargo, esto haría que el sistema fuera vulnerable a los parásitos y, como consecuencia, el hiperciclo no sería estable. Por tanto, las ondas espirales estables se caracterizan por una selección única, que crea las restricciones de que, por un lado, una vez que se agrega la información al sistema, no se puede abandonar fácilmente; y por otro lado, no se puede agregar nueva información. [12]
Takeuchi y Hogeweg [7] propusieron otro modelo basado en autómatas celulares, teniendo en cuenta una red de replicación más simple de parásitos que mutaban continuamente y sus interacciones con una especie de replicasa, y mostró un patrón de onda viajera emergente. Sorprendentemente, las ondas viajeras no solo demostraron ser estables contra parásitos moderadamente fuertes, si la tasa de mutación de los parásitos no es demasiado alta, sino que el patrón emergente en sí se generó como resultado de interacciones entre parásitos y especies replicadas. La misma técnica se utilizó para modelar sistemas que incluyen la formación de complejos. [51] Finalmente, la simulación de hiperciclo que se extiende a tres dimensiones mostró la aparición del análogo tridimensional de una onda espiral, a saber, la onda de desplazamiento. [52]
Ver también
- Chemoton
- Modelo de cuasiespecie
- ( METRO , R ) {\ Displaystyle (M, R)} sistemas
- Autopoiesis
- Conjunto autocatalítico
Referencias
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enlaces externos
- El modelo Hypercycle de J. Padgett implementado en repast