La traducción genética y los principios físicos fundamentales

Por David Berlinski

El código genético sirve para coordinar las dos grandes entradas de gestión de la información y de la actividad química en la célula y, por consiguiente, para coordinar dos estructuras fundamentalmente diferentes. Para captar la notable naturaleza de los hechos aquí en juego, es necesario hacer hincapié en la palabra código.

Por sí mismo, un código resulta bastante familiar: una cartografía arbitraria o un sistema de equivalencia entre dos objetos combinatorios discretos. El código Morse, por tomar un ejemplo familiar, coordina guiones y puntos con las letras del alfabeto. Percatarse de que el código es arbitrario es percatarse de la distinción entre un código y una conexión puramente física entre dos objetos. Percatarse de que los códigos expresan una cartografía es fijar un código a un lenguaje matemático. Percatarse de que los códigos reflejan una equivalencia de algún tipo es devolver el concepto de código a su uso humano.

Bajo cualquier circunstancia normal, el ligamiento es lo primero y representa un logro humano, algo que surge desde un punto más allá del sistema de codificación. (Otra vez, la coordinación entre punto-punto-punto-raya-raya-raya-punto-punto-punto, con la acuciante señal de SOS es un ejemplo familiar). De la misma manera que ninguna palabra explica su propio significado, ningún código establece su propia naturaleza.

La cuestión conceptual sigue ahora. ¿Pueden explicarse los orígenes de un sistema de codificación química de manera que no se haga ninguna apelación al tipo de hechos que de otra manera invocaríamos para explicar los códigos y lenguajes, los sistemas de comunicación, la impresión de palabras ordinarias en el mundo material?

A este respecto, vale la pena recordar que, como observa Hubert Yockey en Information Theory, Evolution and the Origin of Life (2005), “no hay ni rastro en la física o en la química del control de las reacciones químicas por cualquier tipo de secuencia o por un código entre secuencias”.

En el número de 2001 del diario RNA, el microbiólogo Carl Woese se refería de manera inquietante al “lado oscuro de la biología molecular”. Según Woese, la replicación del ADN es la expresión elegante y extraordinaria de las propiedades estructurales de una simple molécula: se abre, se divide y se cierra. La transcripción hasta ARN sigue a conveniencia: copia y conserva. En cada uno de estos dos casos, la estructura conduce a la función. Pero ¿dónde esta el enlace de coordinación entre la estructura química del ADN y el tercer paso, es decir, la traducción? Cuando llega la traducción, el aparato se torna sobrecargado: resulta increíblemente elaborado, y no refleja la estructura de ninguna molécula.

Estas reflexiones provocaron en Woese una conclusión sombría: si “los ácidos nucleicos no pueden reconocer a los aminoácidos de manera alguna” entonces en la traducción no funcionan “principios físicos fundamentales” (énfasis añadido).

Pero el diagnóstico de desorden de Woese resulta también bastante parcial; los síntomas que considera singulares son en realidad bastante generalizados. Lo que vale para la traducción vale también para la replicación y la transcripción. Los ácidos nucleicos no pueden reconocer directamente a los aminoácidos (y viceversa), pero tampoco pueden ni replicar ni transcribir por sí mismos en forma directa.

Tanto la replicación como la traducción están dirigidas enzimáticamente y sin esas enzimas una molécula de ADN o de ARN no haría nada en absoluto. Contrariamente a lo que Woese imagina, ningún principio físico fundamental trabaja directamente en ningún sitio de la célula moderna.

El problema más difícil y desafiante que lleva aparejado el origen de la vida surge ahora ante nuestros ojos. La mitad del moderno sistema químico codificante –el código genético y las secuencias que transmite- es, desde una perspectiva química, arbitraria. La otra mitad del moderno sistema químico codificante –la actividad de las proteínas- es, desde una perspectiva química, necesaria. En la vida, ambas mitades se hallan coordinadas. El problema continúa: ¿cómo llegó esto –el sistema entero- hasta aquí?

La opinión más extendida entre los biólogos moleculares es que las preguntas relativas a los sistemas biológico-moleculares sólo pueden responderse mediante experimentos biológico-moleculares. El distinguido biólogo molecular Horoaki Suga ha demostrado recientemente la fuerza y las limitaciones del método experimental cuando se ve confrontado por difíciles cuestiones conceptuales como la que acabo de plantear.

El objetivo del experimento de Suga era demostrar que un conjunto de catalizadores de ARN (o ribozimas) bien podría haber desempeñado el papel que hoy juega en la célula moderna la familia de proteínas de las aminoacil sintetasas.

Según Suga, hasta su trabajo, no había habido ninguna demostración convincente de que una ribozima fuera capaz de realizar la doble función de una sintetasa –es decir, reconocer tanto una forma de ARN transferente como un aminoácido. Pero en el laboratorio de Suga, precisamente esta molécula realizó su aparición ahora tan aplaudida. Con un aminoácido unido a su cola, la ribozima consiguió escindirse a sí misma y, como una serpiente, unir su carga aminoacídica a su cabeza. Lo que es más: pudo realizar este ejercicio al revés, llevando de nuevo el aminoácido desde su cabeza a la cola. Las reacciones químicas implicaban acilación: precisamente las reacciones que llevan a cabo las sintetasas dentro de la célula moderna.

El experimento de Horoaki Suga era interesante e ingenioso, provocando una reacción que quizás se vea mejor expresada en “bueno, ¡mirad eso!”. Ha cambiado los términos del debate al poner sobre la mesa algunos hechos nuevos. Y sin embargo, como sucede a menudo en la química experimental prebiótica, de ningún modo queda claro qué interpretación van a sostener los hechos.

¿Establecen realmente los resultados de Suga la existencia de una forma primitiva de química codificada? Aunque no se esperaba en el contexto, la coordinación conseguida por él, entre el aminoácido y una forma de ARN transferente no estaba en principio puesto en tela de juicio. La cuestión es si lo que se consiguió al establecer una conexión química entre estas dos moléculas no era otra cosa que establecer la existencia de un código. Si es así, entonces la química orgánica misma podría ser descrita de manera adecuada como el estudio de códigos, borrando por lo tanto el significado de un código como cartografía arbitraria entre objetos combinatorios discretos.

Al resumir los resultados de su investigación, Suga se percata de manera retórica de la ausencia de conclusión de sus resultados. “Nuestra demostración indica”, escribe él, “que el precursor catalítico del ARNt podía haber proporcionado el fundamento de un sistema de código genético”. Pero si la asociación que nos ocupa no es un código, ni siquiera uno primitivo, no sería una “fundación” de un código más de lo que un ladrillo es la fundación de un edificio. Y si es la fundación de un código, entonces lo que se ha conseguido, se ha logrado mediante un agente equivocado.

En el experimento de Suga, no había señal de que la ejecución de las rutinas químicas estuviera bajo control de una administración molecular, y tampoco había signo de que la ausente administración molecular tuviera nada que ver con las rutinas químicas ejecutivas. De hecho, la administración molecular que falta era el mismo Suga, tal y como revela su propio relato. Según él, las características relevantes del experimento, “nos permitieron seleccionar moléculas activas de ARN selectivas para un aminoácido deseado” (énfasis añadido). Por consiguiente, Suga y sus colaboradores fueron quienes “aplicaron condiciones restrictivas” al experimento, realizando una “amplificación selectiva de las moléculas de ARN automodificadas” y “tamizaron” a conciencia en busca de “actividad de auto-aminoacilación” (énfasis añadido en todo el texto).

Por lo menos, la aparición de un sistema de codificación química satisfizo los imperativos más urgentes: era necesario y se encontró. Era necesario porque una vez que un sistema de reacciones químicas alcanza un cierto umbral de complejidad, nada menos que un sistema de codificación química puede llegar a dominar el caos consiguiente. Y se encontró porque, después de todo, estamos aquí.

Son precisamente estas circunstancias las que han persuadido a los biólogos moleculares de que la explicación de la emergencia de un sistema de codificación química tiene que descansar, finalmente, en la teoría de la evolución de Darwin. Tal y como ha observado un crítico sobre los experimentos de Suga, “si cierto resultado puede alcanzarse mediante la dirección de laboratorio de un Suga, seguramente también puede alcanzarse por azar en el vasto universo”.

Una ribozima auto-replicativa satisface la primera condición que requiere la evolución darwiniana para adelantarse a la compra. Es por definición capaz de auto-replicarse. Y también satisface la segunda condición, ya que, por medio de errores en la replicación, introduce la posibilidad de variación en el mundo biológico. Bajo el supuesto de que los cambios subsiguientes en el sistema se ajustan a una ley de incremento de la utilidad marginal, puede preverse la aparición final de un sistema de codificación química, un sistema que puede ser explicado en términos “del modelo por el que la ciencia debe regirse”.

Fuera de consideraciones de este tipo, no hay duda de que al afrontar lo que él llamaba “el lado oscuro de la biología molecular”, a Carl Woese le preocupaba tratar de convencer a la comunidad biológica de los beneficios de “una perspectiva darwiniana general”. Pero la dificultad de “una perspectiva darwiniana general” es que supone un impedimento darwiniano general: la asignación al proceso darwiniano de un grado de previsión que posiblemente el proceso no posea.

La hipótesis de un mundo de ARN juega con la idea de que un sistema moderno dividido echa sus raíces en alguna forma de simetría molecular que fue quebrada por las contingencias de la vida. En algún momento de la transición al moderno sistema, una forma ancestral de ARN debe de haber conferido alguna de sus propiedades catalíticas a una familia de proteínas emergente. Esto debe de haber tenido lugar en algún momento de la historia; no es un artefacto de la imaginación. De manera similar, en algún momento de la transición a un sistema moderno, una forma ancestral de ARN debió de adquirir la capacidad de codificar la potencia catalítica que estaba desechando. Y también esto debió de tener lugar en algún momento de la historia.

Lógicamente, la cuestión es cuál de los dos pasos sucedió antes. Sin que la vida adquiriera un cierto grado de previsión, ningún paso puede darse de manera plausible, por medio de ninguna secuencia de ventajas selectivas. ¿Cómo pudo una forma ancestral de ARN adquirir la capacidad de codificar varios aminoácidos antes de que el código fuera útil? Y sin embargo, tal y como preguntan los biólogos moleculares Paul Schimmel y Shana O. Kelley ¿porqué una ribozima debería de acelerar su propia atrofia? ¿Podrían haberse dado estos dos pasos simultáneamente? Si fuera así, habría muy poca diferencia entre la explicación darwinista y la admisión sincera de que se ha producido un milagro. Si no hay milagros, volvemos al sitio del cual empezamos, de manera que el asunto del huevo y la gallina, que aparecía cuando la vida era rastreada hacia el pasado, aparece de nuevo cuando la vida es rastreada hacia el futuro.

No es por tanto, nada sorprendente que los textos que contienen la “perspectiva darwiniana general” de Woese estén dominados por referencias a un cierto número de fuerzas potentes y misteriosas sin identificar y por oscuras circunstancias condicionantes. Incluyo algunas citas sin mencionar su procedencia porque dichas citas son casi genéricas (énfasis añadido en todo el texto):

– La aminoacilación del ARN debió de haber conferido inicialmente alguna ventaja selectiva.
– Los productos de esta reacción deben de haber conferido alguna ventaja selectiva.
– Sin embargo, el desarrollo de un mecanismo rudimentario para el control de la diversidad de posibles péptidos habría sido ventajoso.
– El refinamiento progresivo de este mecanismo habría conferido una mayor ventaja selectiva.

Y así sucesivamente. Terminará, imaginamos, con la reducción al imperativo omnisciente de la teoría darwiniana, que es sencillamente que lo que fue debe de haber sido.

Referencias

Extracto de la monografía de David Berlinski titulada “Sobre el origen de la vida” disponible en la sección de artículos de la web de la OIACDI.

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