Para funcionar, las vacunas de Moderna-NIH y Pfizer-BioNTech dependen de una maquinaria muy sofisticada, quizá el ejemplo más deslumbrante de la nanotecnología, un sistema que, aunque ha ido mejorando poco a poco con el tiempo, se inventó hace al menos unos… cuatro mil 100 millones de años, y tiene vestigios de lo que era el mundo antes de que llegaran los seres vivos como los conocemos actualmente.
No hay error ni sobran ceros, si acaso se podrían añadir algunos miles de años, porque los ribosomas, que son las nanomáquinas que usan la información genética que contiene el ARN mensajero para hacer proteínas, fueron muy probablemente el punto de partida para que se desarrollara la vida en el planeta.
El huevo y la gallina, pero moleculares
Hace cuatro mil quinientos millones de años, la Tierra no tenía mares, bosques, montañas ni océanos, la superficie estaba cubierta por completo de rocas fundidas. De acuerdo con una investigación reciente, esto hacía que, debido al calor de la superficie, hubiera muchos más gases en la atmósfera y, por tanto, casi 100 veces la presión atmosférica de hoy. La Tierra de entonces era parecida a Venus.
El investigador Paolo Sossi y sus colegas concluyen que la Tierra y Venus eran similares, pero la segunda fue perdiendo su agua debido a su mayor proximidad al Sol. La Tierra, en cambio, conforme se fue enfriando mantuvo su agua en forma de océanos, que es donde habrían aparecido los primeros seres vivos.
Este panorama haría imposible que las ideas tradicionales sobre el origen de la vida en la Tierra, en la que ciertos gases atmosféricos (sobre todo el amoníaco y el metano) disueltos en agua podrían haber generado aminoácidos, que serían los primeros componentes de la vida. Por un lado, porque estos gases serían muy poco abundantes.
Pero, por otro lado, que los seres vivos se construyeran partiendo de aminoácidos sería como empezar a resolver el dilema del huevo y la gallina, empezando por los huesos, músculos y plumas de la gallina.
Los seres vivos, en esencia, nos podemos definir como sistemas complejos que, por un lado, tenemos almacenada la información que nos hace ser como somos y, por otro, que tenemos la capacidad de usar esa información para generar descendientes similares a nosotros mismos.
Esa información está guardada en forma química en las secuencias de cuatro sustancias ordenadas a lo largo de largas hebras de azúcares y fosfatos en el llamado ácido desoxirribonucleico o ADN.
Pero el ADN es sólo un archivo inerte, para que la información que contiene se transforme en acciones y cosas útiles necesita ser primero transcrita a una molécula casi idéntica, llamada ácido ribonucleico o ARN, que lleva el “mensaje” a los ribosomas, donde es traducido en una proteína.
Las proteínas son largas cadenas cuyos eslabones son 20 aminoácidos distintos, la información genética indica qué aminoácidos y en qué orden integran una proteína; así, según la definición tradicional, un gen es el fragmento de ADN que contiene la información necesaria para elaborar una proteína.
›Prácticamente todas las demás funciones de los seres vivos las cumplen las proteínas, gracias a su capacidad de catalizar, orientar y acoplar reacciones químicas. Así logran hacer desde cosas como la respiración o el movimiento hasta las labores de duplicación del ADN, la transcripción de ADN a ARN y forman parte de los ribosomas que la traducen en el ARN mensajero en proteínas.
Entonces, tratar de generar seres vivos a partir del ADN es como partir de un huevo sin tener una gallina que lo ponga. Además, es evidente que todo este mecanismo, aunque está aquí presentado sin sus muy complejos detalles, es demasiado enredado como para que haya surgido de manera espontánea.
La pregunta de qué fue primero, la información del ADN o las funciones de las proteínas, parecía no tener solución, hasta que se pusieron a estudiar al ARN.
Vestigios del otro mundo
A principios de los 80, dos grupos de investigación (el de Thomas Cech y el de Syndey Altman) resolvieron el dilema, pues descubrieron que el ARN no sólo es capaz de almacenar información, también puede catalizar reacciones químicas; por esto, en 1989, se les concedió el premio Nobel.
Unos años más tarde, entre cuatro grupos de investigación lograron averiguar cómo estaba estructurado el ribosoma; una tarea muy complicada, pues un ribosoma tiene alrededor de medio millón de átomos que integran moléculas de ARN y, en el caso de las bacterias, 52 proteínas. Ahora sabemos que los ribosomas de organismos eucariotes, como los humanos, las medusas o las levaduras, tienen 78 proteínas.
El estudio de los ribosomas eventualmente llevó a que se descubriera un grupo de seres vivos distinto a los anteriores, las arqueas; que, aunque en apariencia y tamaño son similares a las bacterias, sus ribosomas tienen proteínas similares a las que tenemos los eucariotes.
En 2007, el equipo de Venkatraman Venki Ramakrishnan, uno de los que participó en la dilucidación de la estructura, fue más allá y descubrió que la actividad de los ribosomas, es decir, la transcripción del ARN mensajero y la elaboración de una proteína, era llevada a cabo por sus partes de ARN; las proteínas sólo cumplen funciones estructurales y de apoyo. En 2009, Ramakrishnan recibió el Nobel junto con Ada Yonath y Thomas Steitz.
Durante un tiempo se creyó que el ribosoma era una reliquia excepcional que sobrevivió a la transición de un antiguo mundo de ARN a nuestro mundo moderno dominado por proteínas. Pero para sorpresa de todos, en las últimas dos décadas se han descubierto que en las células hay muchas moléculas de ARN cuya existencia no se sospechaba”, escribió Ramakrishnan en su libro La máquina genética, que acaba de ser publicado en español y se presentó hace unos días en la FIL de Guadalajara.
Así, se han descubierto, por ejemplo, pequeñas moléculas de ARN, llamadas microARN, que en ocasiones controlan el prendido y apagado de los genes, actúan sobre los ARN mensajeros y evitan que el ribosoma los transcriba o provocan que el ARN mensajero se degrade.
›Por su papel en la regulación de genes, los microARN sirven como reguladores en muchos procesos biológicos importantes para la salud; cuando funcionan de manera anómala, se han relacionado con cánceres, trastornos neurológicos y enfermedades cardiovasculares, entre otras.
Por ejemplo, esta semana se publicó el descubrimiento de un grupo de microARN que regulan la presencia de una proteína, llamada NOD1, que estimula las respuestas inflamatorias y antimicrobianas. Eliminar al grupo de microARN llevó a un aumento en la abundancia de NOD1 y esto generó que se expresaran más genes inflamatorios y relacionados con el cáncer.
Además, se está viendo que la expresión de los microARN responde a condiciones del ambiente, como la acidez, por lo que parecen resultar fundamentales para entender cómo el medio ambiente influye en nuestra fisiología.
Y esos no son los únicos ARN que circulan por nuestro organismo haciendo cosas distintas a las síntesis de proteínas. Incluso en el terreno de los ribosomas hay novedades, pues tal parece que hay ribosomas especiales involucrados en funciones como la memoria.
Así pues, el mundo del ARN nunca desapareció en realidad; sólo evolucionó en un mundo en el que el ARN actúa en colaboración con las proteínas para llevar a cabo los procesos esenciales para la vida”, escribió Ramakrishnan.
Los ribosomas del siglo XXI
El estudio de los ribosomas tiene una relevancia que va más allá de desentrañar el origen de la vida y el funcionamiento de los seres vivos. Las diferencias entre los ribosomas de las bacterias y los nuestros son la clave para el diseño de nuevos antibióticos que puedan actuar, sin causarnos daño, contra las bacterias que se han hecho resistentes. Ya existen bastantes antibióticos que actúan en los ribosomas bacterianos, pero es necesario seguir mejorando y generando nuevos, pues las bacterias seguirán desarrollando resistencia en el futuro. Pero hay más...
Se calcula que hace cuatro mil cien millones de años existió el último antepasado común universal (LUCA por su sigla en inglés), del cual se originaron tanto las bacterias como las arqueas. Las células eucariotas se originaron mucho después como resultado de una simbiosis entre arqueas y bacterias.
LUCA no era un organismo del mundo del ARN, ya era de la época de las proteínas y operaba con los mismos principios que los seres vivos actuales; tenía la misma nanotecnología de los ribosomas, la cual en estos días va a empezar a cambiar.
Un grupo de investigadores de la Universidad Northwestern desarrolló un sistema que puede generar ribosomas fuera de las células y luego seleccionar aquellos que cumplan con una determinada función.
El sistema, llamado Síntesis y Evolución de Ribosomas (RISE, por su sigla en inglés, y porque la palabra significa “elevación” o “surgimiento), pretende llevar el uso de los ribosomas más allá de las
capacidades que naturalmente tienen desde hace tantos años; podrían, quizá, sintetizar los nuevos antibióticos o nuevos materiales para almacenamiento de datos, nanoelectrónica, autocuración...
La idea es que, dado que el ribosoma es necesario para la vida de la célula, hay muchas limitaciones sobre cómo se puede alterar sin que se mueran las células.
Para sintetizar proteínas más allá de las que se encuentran en la naturaleza, tenemos que diseñar y modificar el ribosoma para que funcione con sustratos no naturales. El desarrollo de ribosomas in vitro es una parte importante de ese sistema”, dice Michael Jewett, quien dirigió la investigación.
›El sistema puede producir cientos de miles de ribosomas mutantes en cuestión de horas. Por lo pronto, los investigadores generaron ribosomas activos que son resistentes al antibiótico clindamicina pero, dice Jewett, “nuestra esperanza es que otros puedan utilizar esta plataforma para seleccionar ribosomas que lleven a cabo una nueva función”.
“En este momento, el ribosoma es un chef que sólo puede preparar ciertas comidas. Queremos crear muchos chefs que puedan hacer muchas cocinas diferentes”, refiere Jewett.
El panorama puede ser un tanto atemorizante, pero no hay que olvidar que desarrollos como este son los que, en la emergencia de la Covid-19, lograron hacer y probar una vacuna en menos de la décima parte del tiempo que tomaba hace apenas unos años.