El origen de la vida es una de las grandes preguntas de la ciencia. Hay muchas teorías diferentes sobre cómo la vida pudo haber surgido de la materia inanimada, y se han realizado varios intentos de sintetizar la vida en el laboratorio.
Uno de los componentes clave de cualquier teoría del origen de la vida es la presencia de moléculas autoreplicantes. Estas moléculas pueden crear copias de sí mismas y pasar información genética a su descendencia. Si ocurren mutaciones durante el proceso de replicación, la información genética puede cambiar, y la selección natural puede favorecer aquellas variedades que son beneficiosas para la estabilidad y reproducción del replicador.
Este artículo de revisión proporciona una descripción general del trasfondo histórico y los desarrollos recientes en el campo de la evolución in vitro de moléculas autoreplicantes. El artículo comienza cubriendo algunos principios importantes de la evolución darwiniana y cómo se aplican al caso de la auto-replicación molecular. A continuación, describe algunos sistemas autoreplicantes y sus propiedades, desde el primer informe sobre auto-replicación hasta sistemas más elaborados. Finalmente, el artículo discute algunos experimentos recientes sobre evolución in vitro de moléculas y redes autoreplicantes.
El artículo argumenta que, aunque se han ideado sistemas que muestran capacidades evolutivas intrigantes, todavía queda un largo camino por recorrer antes de que se logre un sistema que sea capaz de una verdadera evolución no dirigida o sin fin. La evolución sin fin es un proceso en el que el sistema evoluciona de una manera que no está predeterminada por sus condiciones iniciales. Es una característica clave de la evolución biológica, pero no se comprende bien y es difícil de lograr en el laboratorio.
El artículo concluye argumentando que, si queremos crear vida en el laboratorio, probablemente sea esencial un conocimiento profundo de la evolución sin fin y sus requisitos previos.
Estos son algunos puntos adicionales que se hacen en el artículo:
- El origen de la vida es un problema complejo y desafiante. No existe una sola teoría que pueda explicar cómo surgió la vida de la materia inanimada.
- Las moléculas autoreplicantes son esenciales para cualquier teoría del origen de la vida. Estas moléculas pueden crear copias de sí mismas y pasar información genética a su descendencia.
- La selección natural puede actuar sobre las variaciones que ocurren durante el proceso de replicación, favoreciendo aquellas variedades que son beneficiosas para la estabilidad y reproducción del replicador.
- La evolución sin fin es una característica clave de la evolución biológica, pero no se comprende bien y es difícil de lograr en el laboratorio.
- Si queremos crear vida en el laboratorio, probablemente sea esencial un conocimiento profundo de la evolución sin fin y sus requisitos previos.
Las moléculas autoreplicantes han sido notablemente difíciles de desarrollar y, después de 30 años de investigación, solo hay un puñado de replicadores eficientes. Lograr la evolución darwiniana con estos sistemas ha resultado aún más desafiante. El potencial evolutivo de muchas moléculas autoreplicantes se limita al hecho de que es difícil lograr un crecimiento exponencial del replicador. Los factores que limitan la eficiencia del proceso de auto-replicación son la presencia de vías no autocatalíticas e inhibición del producto. Se han desarrollado métodos para minimizar el efecto de la inhibición del producto, como la técnica SPREAD y la desestabilización de los dúplex de plantilla, que han permitido el crecimiento exponencial de algunos replicadores simples. También se pueden utilizar fuerzas mecánicas para romper las asambleas más grandes de moléculas autoreplicantes y liberar los bordes de la asamblea o los extremos de la fibra que promueven la replicación.
El progreso más notable con respecto a la evolución darwiniana se ha logrado con replicadores cruzados basados en ARN. En experimentos de transferencia serial se observaron cambios en las poblaciones de replicadores que no eran inmediatamente predecibles y que favorecieron a los replicadores más eficientes o redes de replicadores cooperantes. Lo que estos sistemas no han mostrado (todavía) es la emergencia de nuevas funciones que contribuyen a la estabilidad cinética dinámica de los replicadores.
El verdadero desafío de cualquier experimento de evolución in vitro radica en la realización de un sistema que tenga la capacidad de someterse a una evolución abierta. Tales sistemas pueden diversificarse, aumentar en complejidad e inventar nuevas funciones indefinidamente. Hasta ahora, los sistemas químicos que muestran un comportamiento evolutivo han involucrado replicadores relativamente simples que solo tenían acceso a un espacio estructural muy limitado de posibles mutaciones. Esto hace que el sistema sea incapaz de explorar nuevas estructuras y el desarrollo de la novedad se estanque. Una limitación adicional de los replicadores simples es la fuerte relación entre su genotipo y fenotipo. Esta falta de dicotomía hace que los mecanismos de mutación y selección natural se acoplan entre sí, lo que dificulta la capacidad de evolución de los sistemas. Es muy difícil diseñar un sistema que sea lo suficientemente simple como para ser capaz de replicarse exponencialmente y que tenga un gran espacio estructural de mutaciones al mismo tiempo. Sin embargo, probablemente se necesita un impulso en esta dirección, expandiendo el espacio estructural disponible para que los replicadores existentes exploren, permitiéndoles descubrir nuevas funciones, una de las cuales podría ser la desacoplamiento entre genotipo y fenotipo, lo que permitiría al sistema explorar un espacio estructural y funcional dramáticamente mayor.
Además de estos problemas relacionados con el diseño de replicadores, aún no se ha estudiado en detalle cómo el entorno de los replicadores puede interactuar con el proceso evolutivo. ¿Por ejemplo, las condiciones ambientales como la acidez o la temperatura, pueden ser un incentivo para el desarrollo de nuevas funcionalidades en los replicadores? ¿Y cómo se introduce la noción de muerte en un experimento en el que el investigador no interviene activamente en el sistema a través, por ejemplo, de la dilución seriada? En cualquier sistema abierto real, los replicadores interactúan con el entorno por su cuenta y no son guiados por el experimentador en gran medida.
Por lo tanto, el desafío actual es diseñar sistemas de moléculas auto- o cruzadas que puedan acceder y evolucionar a un vasto espacio estructural y funcional y facilitar, mediante el diseño adecuado de los bloques de construcción y las condiciones experimentales, la invención de nuevas funciones y, por lo tanto, lograr la evolución abierta.