En química , un hiperciclo es un modelo abstracto de organización de moléculas autorreplicantes conectadas de manera cíclica y autocatalítica . Fue introducido en forma de ecuación diferencial ordinaria (EDO) por el premio Nobel de Química 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 existieron en la Tierra primordial (ver: abiogénesis ). Como tal, explica cómo la vida en la Tierra podría haber comenzado utilizando sólo 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 único, la utilización de pequeñas ventajas selectivas, la rápida evolución, la mayor capacidad de información y la selección contra ramas parásitas . [1]
El hiperciclo es un ciclo de macromoléculas conectadas y autorreplicantes . En el hiperciclo, todas las moléculas están unidas de tal manera que cada una de ellas cataliza la creación de su sucesora, y la última molécula cataliza 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 e impediría la creación de macromoléculas más grandes y más adaptadas. Además, se ha demostrado que los hiperciclos podrían originarse de forma natural y que la incorporación de nuevas moléculas puede extenderlos [ cita requerida ] . Los hiperciclos también están sujetos a evolución y, como tales, pueden sufrir un proceso de selección . Como resultado, el sistema no sólo obtiene información, sino que también se puede mejorar su contenido informativo . 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 ellas, las 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 utilizando EDO: una vulnerabilidad a los parásitos y un tamaño limitado de los 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 autoensamblables , demostrando sus ventajas sobre las autoensambladas. -ciclos de replicación. [14] Sin embargo, aunque este experimento demuestra la existencia de cooperación entre las subredes de ribozimas de recombinasa , esta red cooperativa no forma un hiperciclo per se, por lo que todavía nos falta la demostración experimental de los hiperciclos. [15]
Cuando se creó un modelo de moléculas replicantes, [1] [2] se descubrió que, para un almacenamiento eficaz de información , las macromoléculas en la Tierra prebiótica no podían exceder un cierto umbral de longitud. Este problema se conoce como problema del 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 privado de replicasas de alta fidelidad y mecanismos de corrección de errores , las mutaciones ocurren con una alta probabilidad. Como consecuencia, la información almacenada en una secuencia puede perderse 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 limitación grave en la longitud del genoma. Para superar este problema, se necesita una maquinaria de replicación más especializada que sea capaz de 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. John Maynard Smith y Eörs Szathmáry denominaron a este círculo vicioso la paradoja de Eigen . [22]
Según las estimaciones actuales, la longitud máxima de una cadena replicada que puede reproducirse y mantenerse correctamente en sistemas libres de enzimas es de aproximadamente 100 bases , lo que se supone insuficiente para codificar la maquinaria de replicación. Esta observación fue la motivación para la formulación de la teoría del hiperciclo. [23]
Se sugirió que el problema de construir y mantener moléculas más grandes, más complejas y replicadas con mayor precisión se puede evitar si varios portadores de información, cada uno de los cuales almacena una pequeña porción de información, se conectan de manera que solo controlen su propia concentración . [1] [2] Los estudios del modelo matemático que describe las moléculas replicantes revelaron que para observar un comportamiento cooperativo entre las moléculas autorreplicantes, tienen que estar conectadas por un circuito de retroalimentación positiva de acciones catalíticas . [24] [25] [26] Este tipo de red cerrada que consta de entidades autorreplicantes conectadas por un circuito 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 llamadas ramas parásitas. Las ramas parásitas 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 generó la idea de combinar una función portadora de información con propiedades enzimáticas. En el momento de la formulación de la teoría del hiperciclo, las propiedades enzimáticas se atribuían únicamente a las proteínas , mientras que los ácidos nucleicos se reconocían únicamente como portadores de información. Esto llevó a la formulación de un modelo más complejo de hiperciclo con traducción . El modelo propuesto consta de una serie de secuencias de nucleótidos I ( I significa intermedio) y el mismo número de cadenas polipeptídicas E ( E significa enzima). Las secuencias I tienen una longitud de cadena limitada y llevan la información necesaria para construir cadenas catalíticas E. La secuencia II proporciona la matriz para reproducirse y una matriz para construir la proteína Ei . La proteína E i proporciona el soporte catalítico para construir la siguiente secuencia del ciclo, I i +1 . Las secuencias autorreplicantes forman un ciclo formado por hebras positivas y negativas que se reproducen periódicamente. Por lo tanto, muchos ciclos de los colectivos de nucleótidos +/− están unidos entre sí 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 seleccionarían entre sí en lugar de cooperar. La reproducción es posible gracias a funciones de traducción y polimerización codificadas en cadenas I. En su trabajo principal, Manfred Eigen afirmó que la E codificada por la cadena I puede ser una polimerasa específica o un potenciador (o silenciador ) de una polimerasa más general que actúa a favor de la formación del sucesor de la cadena de nucleótidos I. Posteriormente indicó que una polimerasa general conduce a la muerte del sistema. [2] Además, todo el ciclo debe estar cerrado, de modo que En n debe catalizar la formación de I 1 para algún número entero n > 1. [1] [2]
Durante su investigación, Eigen y Schuster también consideraron tipos de acoplamiento de proteínas y nucleótidos distintos de los hiperciclos. Una de esas alternativas era un modelo con una replicasa que realizaba funcionalidad 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 sólo 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 era catalizada por su propio producto traduccional; al mismo tiempo, esta plantilla de ARN realizaba una función de transporte para un tipo de aminoácido. La existencia de más de una plantilla de ARN podría hacer posible la traducción. [2]
Sin embargo, en ambos conceptos alternativos, el sistema no sobrevivirá debido a la competencia interna entre sus electores. Incluso si ninguno de los constituyentes de dicho sistema se ve favorecido 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 sobrevivir. La razón de la incapacidad de sobrevivir es la falta de control mutuo de la abundancia de los constituyentes . [2]
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 plantilla I i ; x es la concentración total de todas las plantillas; k i es la tasa de producción excesiva de la plantilla I i , que es una diferencia entre la formación fi 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 en una unidad de concentración ( xi = 1). Suponiendo que a alta concentración x el término k i puede despreciarse y, además, en el hiperciclo, una plantilla puede replicarse sólo 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
Un hiperciclo con traducción consta de polinucleótidos I i (con concentración xi ) y polipéptidos E i (con concentración y i ). Se supone que la cinética de la síntesis de nucleótidos sigue un esquema de reacción de 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 la 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 utilizando 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 y φ y son flujos de dilución, ki es la tasa de producción del polipéptido E i traducido del polinucleótido I i , y fi es la tasa de producción del polinucleótido I i sintetizado por el complejo I i E i -1 (mediante 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 purina, Y la pirimidina y N cualquier base, suponiendo que esta última es más confiable. Hoy en día, se supone que el modelo de hiperciclo podría realizarse mediante la utilización de ribozimas sin necesidad de un hiperciclo con traducción, y existen muchas más teorías sobre el origen del código genético . [27]
Eigen hizo varias suposiciones sobre las condiciones que llevaron a la formación de los primeros hiperciclos. [2] Algunos de ellos 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 las suposiciones de Eigen en sentido estricto. La principal de ellas era que la formación de hiperciclos había requerido la disponibilidad de ambos tipos de cadenas: ácidos nucleicos que formaban 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 la función enzimática fuera realizada por ARN. Según la teoría del hiperciclo, la primera polimerasa primitiva surgió precisamente de esta población. Como consecuencia, la replicación catalizada podría superar a 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 fiable de sus constituyentes, por ejemplo, incorporando el acoplamiento de ARN esenciales en un circuito de retroalimentación positiva. Sin este circuito de retroalimentación, el sistema replicante se perdería. Estos ciclos 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 una cadena I mejore la síntesis de una cadena similar I '. De este modo, la existencia de secuencias I similares procedentes de la misma población de cuasiespecies promueve la creación del enlace entre las moléculas I e I '. [2]
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 permaneciendo constante. De esta manera, el sistema formado por todas las cadenas puede expresarse como una entidad única e integrada. Durante la formación de hiperciclos, varios de ellos podrían estar presentes en concentraciones comparables, pero muy pronto tendrá lugar una selección del hiperciclo con el mayor valor de aptitud . [1] Aquí, el valor de aptitud expresa la adaptación del hiperciclo al medio ambiente , y la selección basada en él es muy nítida. 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, ni siquiera grandes fluctuaciones en el número de especies internas pueden debilitar el hiperciclo lo suficiente como para destruirlo. En el caso de un hiperciclo, podemos hablar de selección uno 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 podría observarse durante las etapas que preceden a una replicación catalítica y que son necesarias para la formación de hiperciclos. La coexistencia de varias secuencias que se replican de forma no enzimática podría ayudar a mantener una diversidad suficiente de módulos de ARN utilizados posteriormente para construir moléculas con funciones catalíticas. [28]
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, la existencia de hiperciclos acoplados se supone imposible en la práctica. [2]
La evolución de un hiperciclo se produce a partir de la creación de nuevos componentes mediante la mutación de sus especies internas. Las mutaciones pueden incorporarse al hiperciclo, ampliándolo si, y sólo si, se cumplen dos requisitos. Primero, un nuevo portador de información I creado por la mutación debe ser mejor reconocido por uno de los miembros del hiperciclo I i que la cadena I i +1 que fue reconocida previamente por él. En segundo lugar, el nuevo miembro I del ciclo tiene que catalizar mejor la formación del polinucleótido I i +1 que anteriormente fue catalizado por el producto de su predecesor I i . En teoría, es posible incorporar al hiperciclo mutaciones que no cumplan 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 observó que tales mutantes no representan una amenaza para el hiperciclo, porque otros componentes del hiperciclo crecen de manera no lineal, lo que impide que las ramas parásitas crezcan. [2]
Según la definición de hiperciclo, es un sistema dinámico no lineal y, en el caso más simple, se puede suponer que crece a un ritmo determinado por un sistema de ecuaciones diferenciales cuadráticas. Entonces, la competencia entre hiperciclos en evolución se puede modelar usando 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 el la concentración total es constante. Según el modelo anterior, en la fase inicial, cuando existen varios hiperciclos, se realiza 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 mayor . [3]
La teoría del hiperciclo propuso que los hiperciclos no son el estado final de organización, y que 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 , puede procederse a la integración del genoma del hiperciclo 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 un paquete de información transmisible para mutaciones ventajosas a fin de no ayudar a copias menos eficientes del gen. La primera ventaja es que mantiene una alta concentración local de moléculas, lo que ayuda a aumentar localmente la tasa de síntesis. En segundo lugar, mantiene el efecto de las mutaciones localmente y al mismo tiempo afecta a todo el compartimento. Esto favorece la preservación 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, sólo se destruye el compartimento contaminado, sin afectar a otros compartimentos. De esa manera, la compartimentación permite la selección de mutaciones genotípicas. En tercer lugar, las membranas protegen contra factores ambientales porque constituyen una barrera para las moléculas de alto peso o la irradiación UV . Finalmente, la superficie de la membrana puede funcionar como catalizador. [3]
A pesar de las ventajas mencionadas anteriormente, también existen problemas potenciales relacionados con los hiperciclos compartimentados. Estos problemas incluyen dificultades en el transporte de ingredientes hacia adentro y hacia afuera, sincronizando la síntesis de nuevas copias de los constituyentes del hiperciclo y división del compartimento de crecimiento relacionado con un problema de empaque. [2]
En los trabajos iniciales se planteó la compartimentación como una consecuencia evolutiva de la organización hipercíclica. Carsten Bresch y sus compañeros de trabajo objetaron que la organización hipercíclica no es necesaria si se tienen en cuenta los compartimentos. [29] 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 señalaron los autores, tales paquetes son, a diferencia de los hiperciclos, vulnerables a mutaciones nocivas, así como a un abismo de fluctuación, lo que resulta en 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 información y que los hiperciclos no pueden ser simplemente reemplazados por compartimentos, pero los compartimentos pueden ayudar a los hiperciclos. [30] 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 que 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 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 perjudiciales que un simple paquete de genes en competencia. Sin embargo, los modelos de paquetes no resuelven el problema del umbral de error que originalmente motivó el hiperciclo. [31]
En el momento de la formulación de la teoría del hiperciclo, no se conocían las ribozimas. Después del descubrimiento de las propiedades catalíticas del ARN en 1982, [16] [17] se descubrió que el ARN tenía la capacidad de integrar las propiedades de las proteínas y las cadenas de nucleótidos en una sola entidad. Las ribozimas que potencialmente sirven como plantillas y catalizadores de 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, sólo pudo catalizar la polimerización de una cadena que tenía un tamaño de aproximadamente 14 nucleótidos, a pesar de que tenía 200 nucleótidos de largo. La versión más actualizada de esta polimerasa se mostró en 2013. [32] Si bien tiene la capacidad de catalizar la polimerización de secuencias más largas, incluso de su propia longitud, no puede replicarse debido a la falta de generalidad de la 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. [33] En 2014, se demostró una ribozima de ARN polimerasa cruzada. [34] 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 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, 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, iniciando el proceso de integración del genoma. Un ARN con actividad sintasa o sintetasa podría ser fundamental para construir compartimentos y proporcionar componentes básicos 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 , [35] una ligasa, [36] [37] y una nucleótido sintetasa . [38] Un transaminoacilador descrito en 2013 tiene cinco nucleótidos, [39] lo cual es suficiente para una acilación trans-aminoreacción y la convierte en la ribozima más pequeña que se ha descubierto. Apoya la síntesis de peptidil-ARN que podría ser un precursor del proceso contemporáneo de unir aminoácidos a moléculas de ARNt. El dominio catalítico de una ARN ligasa, compuesto por 93 nucleótidos, resultó ser suficiente para catalizar una reacción de unión entre dos cadenas de ARN. [40] De manera similar, una ribozima aciltransferasa de 82 nucleótidos de largo fue suficiente para realizar una reacción de aciltransferencia. [41] En conjunto, los resultados relativos al 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 supuestas primeras ARN polimerasas dependientes de ARN sean más largas (la ribozima polimerasa dependiente de ARN más pequeña hasta la fecha tiene 165 nucleótidos de largo [18] ), no tenían por qué surgir. en un solo paso. Es más plausible que la ligadura de cadenas de ARN más pequeñas realizada por las primeras ARN ligasas diera como resultado una cadena más larga con el dominio de polimerasa catalíticamente activo deseado. [42]
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 ampliar su tamaño incorporando 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] Simulaciones por computadora anteriores mostraron que las redes moleculares pueden surgir, evolucionar y ser resistentes a las ramas de ARN parásitas . [43] En sus experimentos, Vaidya et al. utilizaron una ribozima de 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 objetivo en el extremo opuesto de la ribozima (es decir, secuencias guía internas o IGS), así como estas secuencias objetivo. Algunos genotipos podían introducir la cooperación reconociendo secuencias diana de otras ribozimas, promoviendo su unión covalente , mientras que otros genotipos egoístas sólo eran capaces de autoensamblarse. En separación, el subsistema egoísta creció más rápido que el cooperativo. Después de mezclar ribozimas egoístas con cooperativas, se observó el surgimiento de un comportamiento cooperativo en una población fusionada, superando a los subsistemas autoensamblados. 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. Difieren sustancialmente de los resultados obtenidos en dinámica evolutiva . [44] 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 pedazos, las ribozimas que son capaces de autoensamblarse no sólo pueden formar ciclos catalíticos sino que, de hecho, favorecerlos. Los resultados obtenidos de los experimentos de Vaidya et al. dio una idea de cómo las polimerasas prebióticas ineficaces, capaces de sintetizar sólo oligómeros cortos , podrían ser suficientes en la etapa previa 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 autoensamblarse no sólo 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. [33]demostraron que la ribozima de ARN polimerasa, que describieron, se puede sintetizar in situ a partir de la ligadura de cuatro fragmentos más pequeños, similar a una recombinación de ribozima de Azoarcus a partir de cuatro fragmentos de oligonucleótidos inactivos descritos anteriormente. Aparte de una contribución sustancial de los experimentos mencionados anteriormente a la investigación sobre el origen de la vida, no han demostrado experimentalmente la existencia de hiperciclos. [45]
El concepto de hiperciclo ha sido continuamente estudiado desde su origen. Poco después de que Eigen y Schuster publicaran su trabajo principal sobre los hiperciclos, [2] John Maynard Smith planteó la objeción de que el apoyo catalítico para la replicación dado a otras moléculas es altruista. [46] Por lo tanto, no se puede seleccionar ni mantener en un sistema. También subrayó la vulnerabilidad al hiperciclo de los parásitos, ya que se ven favorecidos por la selección. Más tarde, Josef Hofbauer y Karl Sigmund [47] indicaron que, en realidad, un hiperciclo puede mantener sólo 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 el espacio en el modelo inicial, ya sea explícitamente [6] [13] [48] [49] o en forma de segregación espacial dentro de compartimentos. [10] [29] Bresch et al. [29] propusieron un modelo de paquete como solución al 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 originalmente motivó la idea del hiperciclo. Unos años más tarde, Maarten Boerlijst y Paulien Hogeweg , y más tarde Nobuto Takeuchi, estudiaron las ecuaciones replicadoras 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. [50] [51] Demostraron que la autoestructuración espacial del sistema resuelve completamente el problema de la extinción global de los sistemas grandes y, parcialmente, el problema de los parásitos. [13] Este último también fue analizado por Robert May , [12] quien notó que un patrón de onda espiral giratorio emergente , que se observó durante 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 un problema al agregar nueva información al sistema. Para conservarse, 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 lo tanto, las ondas espirales estables se caracterizan por una selección única, que crea las restricciones de que, por un lado, una vez que la información se agrega al sistema, no se puede abandonar fácilmente; y por otro lado no se puede añadir nueva información. [12]
Takeuchi y Hogeweg [7] propusieron otro modelo basado en autómatas celulares, que tiene en cuenta una red de replicación más simple de parásitos en continua mutación y sus interacciones con una especie de replicasa, y exhibe un patrón de onda viajera emergente. Sorprendentemente, las ondas viajeras no sólo 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 de replicasa. Se utilizó la misma técnica para modelar sistemas que incluyen la formación de complejos. [52] Finalmente, la simulación de hiperciclo extendida a tres dimensiones mostró la aparición del análogo tridimensional de una onda espiral, a saber, la onda de desplazamiento. [53]
El hiperciclo es sólo una de varias teorías actuales de la vida, incluido el quimiotón [54] de Tibor Gánti , los sistemas ( M,R ) [55] [56] de Robert Rosen , la autopoiesis (o autoconstrucción ) [57] de Humberto Maturana y Francisco Varela , y los conjuntos autocatalíticos [58] de Stuart Kauffman , similar a una propuesta anterior de Freeman Dyson . [59] Todos estos (incluido el hiperciclo) encontraron su inspiración original en el libro de Erwin Schrödinger ¿Qué es la vida? [60] pero al principio parecen tener poco en común entre sí, en gran parte porque los autores no se comunicaron entre sí y ninguno de ellos hizo referencia en sus publicaciones principales a ninguna de las otras teorías. Sin embargo, existen más similitudes de las que pueden parecer obvias a primera vista, por ejemplo entre Gánti y Rosen. [61] Hasta hace poco [62] [63] [64] casi no ha habido intentos de comparar las diferentes teorías y discutirlas juntas.
Algunos autores equiparan los modelos del origen de la vida con LUCA, el último ancestro común universal de toda la vida existente. [65] Este es un error grave resultante de no reconocer que L se refiere al último ancestro común, no al primer ancestro, que es mucho más antiguo: una gran cantidad de evolución ocurrió antes de la aparición de LUCA. [66]
Gill y Forterre expresaron el punto esencial de la siguiente manera: [67]
LUCA no debe confundirse con la primera célula, sino que fue producto de un largo período de evolución. Ser el "último" significa que LUCA fue precedido por una larga sucesión de "antepasados" más antiguos.
Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo una licencia CC BY 4.0 (2016) (informes de los revisores): Natalia Szostak; Szymon Wasik; Jacek Blazewicz (7 de abril de 2016). "Hiperciclo". PLOS Biología Computacional . 12 (4): e1004853. doi : 10.1371/JOURNAL.PCBI.1004853 . ISSN 1553-734X. PMC 4824418 . PMID 27054759. Wikidata Q34521204.
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