Estudio arroja luz sobre el origen del código genético

Adoptando un nuevo enfoque para un viejo problema, Sawsan Wehbi, estudiante de doctorado en el Programa Interdisciplinario de Graduados en Genética de la Universidad de Arizona, descubrió pruebas contundentes de que la versión de los libros de texto sobre cómo evolucionó el código genético universal necesita revisión. Wehbi es el primer autor de un estudio publicado en la revista PNAS que sugiere que el orden en el que se reclutaron los aminoácidos (los componentes básicos del código) está en desacuerdo con lo que se considera ampliamente el ‘consenso’ de la evolución del código genético.

“El código genético es algo sorprendente en el que una cadena de ADN o ARN que contiene secuencias de cuatro nucleótidos se traduce en secuencias de proteínas utilizando 20 aminoácidos diferentes”, dijo Joanna Masel, autora principal del artículo y profesora de Ecología y Biología evolutiva en la UA. “Es un proceso increíblemente complicado y nuestro código es sorprendentemente bueno. Es casi óptimo para un montón de cosas y debe haber evolucionado en etapas”.

El estudio reveló que en los primeros años de vida se preferían moléculas de aminoácidos más pequeñas a las más grandes y complejas, que se añadían más tarde, mientras que los aminoácidos que se unen a los metales se unían mucho antes de lo que se pensaba. Finalmente, el equipo descubrió que el código genético actual probablemente vino después de otros códigos que se han extinguido desde entonces.

Los autores sostienen que la comprensión actual de cómo evolucionó el código es errónea porque se basa en experimentos de laboratorio engañosos en lugar de evidencia evolutiva. Por ejemplo, una de las piedras angulares de las opiniones convencionales sobre la evolución del código genético se basa en el famoso experimento de Urey-Miller de 1952, que intentó simular las condiciones de la Tierra primitiva que probablemente presenciaron el origen de la vida.

Si bien valioso para demostrar que la materia no viva podría dar lugar a los componentes básicos de la vida, incluidos los aminoácidos, a través de reacciones químicas simples, las implicaciones del experimento han sido cuestionadas. Por ejemplo, no produjo ningún aminoácido que contenga azufre, a pesar de que el elemento era abundante en la Tierra primitiva. Como resultado, se cree que los aminoácidos sulfúricos se unieron al código mucho más tarde. Sin embargo, el resultado no es sorprendente, teniendo en cuenta que se omitió el azufre en los ingredientes del experimento.

Según el coautor Dante Lauretta, profesor Regents de Ciencias Planetarias y Cosmoquímica en el Laboratorio Planetario y Lunar de la UA, la naturaleza rica en azufre de la vida temprana ofrece conocimientos para la astrobiología, particularmente para comprender la habitabilidad potencial y las biofirmas de ambientes extraterrestres.

“En mundos como Marte, Encélado y Europa, donde prevalecen los compuestos de azufre, esto podría alimentar nuestra búsqueda de vida al resaltar ciclos biogeoquímicos o metabolismos microbianos análogos”, dijo el investigador principal de la misión OSIRIS-REx al asteroide Bennu. “Estos conocimientos podrían refinar lo que buscamos en las biofirmas, ayudando a la detección de formas de vida que prosperan en sustancias químicas ricas en azufre o análogas más allá de la Tierra”.

El equipo utilizó un nuevo método para analizar secuencias de aminoácidos a lo largo del árbol de la vida, hasta llegar al último ancestro común universal, o LUCA, una población hipotética de organismos que vivió hace unos 4 mil millones de años y representa el ancestro compartido de toda la vida en la Tierra hoy. A diferencia de estudios anteriores, que utilizaron secuencias de proteínas de longitud completa, Wehbi y su grupo se centraron en los dominios proteicos, tramos más cortos de aminoácidos.

“Si pensamos en la proteína como un automóvil, un dominio es como una rueda”, dijo Wehbi. “Es una pieza que se puede utilizar en muchos coches diferentes, y las ruedas existen desde hace mucho más tiempo que los automóviles”.

Para tener una idea de cuándo es probable que un aminoácido específico se haya incorporado al código genético, los investigadores utilizaron herramientas de análisis de datos estadísticos para comparar el enriquecimiento de cada aminoácido individual en secuencias de proteínas que datan de LUCA, e incluso de épocas más antiguas. Un aminoácido que aparece preferentemente en secuencias antiguas probablemente se incorporó en una etapa temprana. Por el contrario, las secuencias de LUCA se agotan para los aminoácidos que se incorporaron más tarde, pero que estuvieron disponibles en el momento en que surgieron secuencias de proteínas menos antiguas.

El equipo identificó más de 400 familias de secuencias que datan de LUCA. Más de 100 de ellas se originaron incluso antes y ya se habían diversificado antes de LUCA. Estas resultaron contener más aminoácidos con estructuras de anillo aromático, como triptófano y tirosina, a pesar de que estos aminoácidos fueron adiciones tardías a nuestro código.

“Esto nos da pistas sobre otros códigos genéticos que existieron antes del nuestro y que desde entonces han desaparecido en el abismo del tiempo geológico”, dijo Masel. “A la vida primitiva parece que le gustaban los anillos”.

• El paper Order of amino acid recruitment into the genetic code resolved by last universal common ancestor’s protein domains fue publicado en PNAS. Sus autores son: Sawsan Wehbi, Andrew Wheeler, Benoit Morel, Nandini Manepalli, Bui Quang Minh, Dante S. Lauretta & Joanna Masel.

• El artículo Study sheds light on origin of genetic code, con la firma de Daniel Stolte, University Communications of UA, fue publicado en la sección de noticias de la Universidad de Arizona.

English version

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Study sheds light on origin of genetic code

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Taking a fresh approach at an old problem, Sawsan Wehbi, a doctoral student in the Genetics Graduate Interdisciplinary Program at the University of Arizona, discovered strong evidence that the textbook version of how the universal genetic code evolved needs revision. Wehbi is the first author of a study published in the journal PNAS suggesting the order with which amino acids – the code’s building blocks – were recruited is at odds with what is widely considered the “consensus” of genetic code evolution.

“The genetic code is this amazing thing in which a string of DNA or RNA containing sequences of four nucleotides is translated into protein sequences using 20 different amino acids,” said Joanna Masel, the paper’s senior author and aprofessor of ecology and evolutionary biology at the U of A. “It’s a mind-bogglingly complicated process, and our code is surprisingly good. It’s nearly optimal for a whole bunch of things, and it must have evolved in stages.”

The study revealed that early life preferred smaller amino acid molecules over larger and more complex ones, which were added later, while amino acids that bind to metals joined in much earlier than previously thought. Finally, the team discovered that today’s genetic code likely came after other codes that have since gone extinct.

The authors argue that the current understanding of how the code evolved is flawed because it relies on misleading laboratory experiments rather than evolutionary evidence. For example, one of the cornerstones of conventional views of genetic code evolution rests on the famous Urey-Miller experiment of 1952, which attempted to simulate the conditions on early Earth that likely witnessed the origin of life.

While valuable in demonstrating that nonliving matter could give rise to life’s building blocks, including amino acids, through simple chemical reactions, the experiment’s implications have been called into question. For example, it did not yield any amino acids containing sulfur, despite the element being abundant on early Earth. As a result, sulfuric amino acids are believed to have joined the code much later. However, the result is hardly surprising, considering that sulfur was omitted from the experiment’s ingredients.

According to co-author Dante Lauretta, Regents Professor of Planetary Science and Cosmochemistry at the U of A Lunar and Planetary Laboratory, early life’s sulfur-rich nature offers insights for astrobiology, particularly in understanding the potential habitability and biosignatures of extraterrestrial environments.

“On worlds like Mars, Enceladus and Europa, where sulfur compounds are prevalent, this could inform our search for life by highlighting analogous biogeochemical cycles or microbial metabolisms,” he said. “Such insights might refine what we look for in biosignatures, aiding the detection of lifeforms that thrive in sulfur-rich or analogous chemistries beyond Earth.”

The team used a new method to analyze sequences of amino across the tree of life, all the way back to the last universal common ancestor, or LUCA, a hypothesized population of organisms that lived around 4 billion years ago and represents the shared ancestor of all life on Earth today. Unlike previous studies, which used full-length protein sequences, Wehbi and her group focused on protein domains, shorter stretches of amino acids.

“If you think about the protein being a car, a domain is like a wheel,” Wehbi said. “It’s a part that can be used in many different cars, and wheels have been around much longer than cars.”

To get a handle on when a specific amino acid likely was recruited into the genetic code, the researchers used statistical data analysis tools to compare the enrichment of each individual amino acid in protein sequences dating back to LUCA, and even farther back in time. An amino acid that shows up preferentially in ancient sequences was likely incorporated early on. Conversely, LUCA’s sequences are depleted for amino acids that were recruited later but became available by the time less ancient protein sequences emerged.

The team identified more than 400 families of sequences dating back to LUCA. More than 100 of them originated even earlier and had already diversified prior to LUCA. These turned out to contain more amino acids with aromatic ring structures, like tryptophan and tyrosine, despite these amino acids being late additions to our code.

“This gives hints about other genetic codes that came before ours, and which have since disappeared in the abyss of geologic time,” Masel said. **“Early life seems to have liked rings.” **

• The paper Order of amino acid recruitment into the genetic code resolved by last universal common ancestor’s protein domains was published on PNAS. Authors: Sawsan Wehbi, Andrew Wheeler, Benoit Morel, Nandini Manepalli, Bui Quang Minh, Dante S. Lauretta & Joanna Masel.

• Study sheds light on origin of genetic code, signed by Daniel Stolte, University Communications of UA, was published on news section on U of A site.