thumb|318x318px|ARN con sus bases nitrogenadas a la izquierda y ADN a la derecha. La hipótesis del mundo de ARN es uno de los principales candidatos a la abiogénesis. Propone que la vida en la Tierra surgió a partir de la versátil actividad de las moléculas de ARN, las cuales posteriormente originarían moléculas capaces de sintetizar proteínas y las moléculas de ADN. Estas moléculas al rodearse con liposomas formarían las primeras células. La hipótesis del mundo del ARN todavía presenta dificultades pues "sus componentes son difíciles de sintetizar", pero ha recibido un gran respaldo con los resultados del análisis del polvo extraído por la sonda OSIRIS-REx del asteroide Bennu, que apoyan fuertemente esta teoría. Independientemente de su plausibilidad como escenario prebiótico, el mundo del ARN puede servir como un sistema modelo para estudiar el origen de la vida.
Historia del mundo de ARN En 1963 el biólogo molecular Alexander Rich del MIT especuló sobre esta idea en un artículo en el que contribuía a un volumen publicado en honor al fisiólogo y premio Nobel Albert Szent-Györgyi. La idea de una vida independiente basada en el ARN se puede encontrar en 1968 en el libro «El código genético» (The genetic code: the molecular basis for genetic expression) de Carl Woese. La expresión «Mundo de ARN» fue empleada por primera vez por el premio nobel Walter Gilbert en 1986, al hilo de un comentario respecto de las recientes observaciones sobre las propiedades catalíticas de algunas formas de ARN. Es ampliamente conocido por el trabajo en dilucidar la estructura tridimensional del ARN de transferencia, que es un componente del mecanismo de síntesis de proteínas, y por su descubrimiento de una forma levógira de ADN. El descubrimiento de ARNs que regulan la expresión génica ha permitido el desarrollo de medicamentos hechos de ARN, como los ARN pequeños de interferencia que silencian genes.
Se puede encontrar un concepto adicional del ARN como molécula primordial en los artículos de Francis Crick y Leslie Orgel así como en el libro de Carl Woese de 1967 «The genetic code». Hans Kuhnen 1972 expuso un posible proceso por el cual el sistema genético moderno podría haber surgido de un precursor basado en nucleótidos, y esto llevó a Harold White en 1976 a observar que muchos de los cofactores esenciales para la función enzimática son nucleótidos o podrían haber sido derivados de nucleótidos. Propuso un escenario en el que la electroquímica crítica de las reacciones enzimáticas habría necesitado la retención de los restos de nucleótidos específicos de las enzimas originales basadas en ARN que llevaban a cabo las reacciones, mientras que los elementos estructurales restantes de las enzimas se reemplazaban gradualmente por proteínas, hasta que todo lo que quedaba de los ARN originales eran estos cofactores de nucleótidos, «fósiles de enzimas de ácidos nucleicos».
Propiedades del ARN
thumb|240px|Esquema del mundo de ARN y el origen de la vida. Las propiedades del ARN nos pueden dar una idea de la posibilidad conceptual de la hipótesis del mundo de ARN, aunque su plausibilidad como explicación del origen de la vida se encuentra debatida. Se sabe que el ARN es un eficiente catalizador y al igual que el ADN posee la capacidad de almacenar información.
Una versión de la hipótesis ligeramente distinta es que un tipo diferente de ácido nucleico, denominado «pre-ARN» fuera el primero en surgir como molécula autorreproductora, para ser reemplazado por el ARN solo después. Estos ácidos nucleicos a menudo se producen y polimerizan más fácilmente bajo condiciones prebióticas. Algunos candidatos serían el ANP, el ANT y el ANG. A pesar de su simplicidad estructural y posesión de propiedades comparables con el ARN, la generación químicamente plausible de ácidos nucleicos «más simples» en condiciones prebióticas aún no se ha demostrado.
El ARN como enzima
Las enzimas de ARN o ribozimas ocurren en el actual "mundo de ADN". Las ribozimas desempeñan papeles de vital importancia. Las ribozimas son componentes esenciales de los ribosomas, los cuales son esenciales en la síntesis de proteínas. Pero también son posibles muchas otras funciones para las ribozimas aparte de la función de los ribosomas: la naturaleza emplea ampliamente el empalme de ARN, y la evolución dirigida ha creado ribozimas con una gran variedad de actividades. Entre las propiedades enzimáticas importantes para el comienzo de la vida se encuentran:
La capacidad de autoduplicación o de duplicar otras moléculas de ARN. Se han producido en el laboratorio moléculas relativamente cortas de ARN. Las más cortas eran de una longitud de 165 bases, aunque se ha estimado que sólo parte de estas bases eran cruciales para esta función. Una versión cuya longitud era de 189 pares de bases obtenía una fidelidad de copia del 98.9%,W. K. Johnston, P. J. Unrau, M. S. Lawrence, M. E. Glasner and D. P. Bartel RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension. Science 292, 1319 (2001) lo que significaría que podría hacer una copia exacta de una molécula de ARN tan larga como ella misma de cada ocho copias, aunque esta ribozima de 189 bp como mucho podría polimerizar un molde de 14 nucleótidos de longitud, demasiado corto para considerarlo replicación, pero representa un gran comienzo. La mayor extensión de un cebador llevada a cabo por una ribozima de tipo polimerasa fue de 20 bp.Hani S. Zaher and Peter J. Unrau, Selection of an improved RNA polymerase ribozyme with superior extension and fidelity. RNA (2007), 13:1017-1026 En 2016, se informó sobre el uso de la evolución in vitro para mejorar drásticamente la actividad y la generalidad de una ribozima polimerasa de ARN mediante la selección de variantes que pueden sintetizar moléculas de ARN funcionales a partir de una plantilla de ARN. Cada ribozima de ARN polimerasa fue diseñada para permanecer ligada a su nueva cadena de ARN sintetizada; esto permitió al equipo aislar polimerasas exitosas. Las ARN polimerasas aisladas se utilizaron de nuevo para otra ronda de evolución. Después de varias rondas de evolución, obtuvieron una ribozima polimerasa de ARN llamada 24-3 que era capaz de copiar casi cualquier otro ARN, desde pequeños catalizadores hasta enzimas largas basadas en ARN. Se amplificaron ARN particulares hasta veces, una primera versión de ARN de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La capacidad de catalizar reacciones químicas sencillas que aumentan la creación de monómeros del ARN. Se han creado en el laboratorio moléculas relativamente pequeñas de ARN en el laboratorio con esa capacidad de manera artificial.Huang, Yang, and Yarus, RNA enzymes with two small-molecule substrates. Chemistry & Biology, Vol 5, 669-678, November 1998Unrau, P.J. and Bartel, D.P. (1998) RNA-catalysed nucleotide synthesis. Nature 395, 260-263 Un estudio reciente mostró que casi cualquier ácido nucleico puede evolucionar hacia una secuencia catalítica con la selección adecuada. Por ejemplo, un fragmento de ADN de 50 nucleótidos elegido arbitrariamente que codifica el ARNm de albúmina se sometió a evolución en probeta para derivar un ADN catalítico con actividad de escisión de ARN. Después de solo unas pocas semanas, había evolucionado una ADN polimerasa con actividad catalítica significativa. En general, el ADN es mucho más químicamente inerte que el ARN y, por tanto, mucho más resistente a la obtención de propiedades catalíticas. Si la evolución in vitro funciona para el ADN, sucederá mucho más fácilmente con el ARN. La capacidad de conjugar un aminoácido al extremo 3 'de un ARN para usar sus grupos químicos o proporcionar una cadena lateral alifática de ramificación larga. La capacidad de formar enlaces peptídicos para producir péptidos cortos y, ocasionalmente, proteínas enteras. Esto se efectúa en las células modernas por los ribosomas, un complejo de dos moléculas grandes de ARN conocidas como ARN ribosómico junto con otras proteínas. Se piensa que las dos moléculas de ARNr son las responsables de esta actividad enzimática. Se ha creado en el laboratorio una molécula de ARN más corta capaz de formar enlaces peptídicos, y se ha sugerido que el ARNr evolucionó a partir de una molécula similar.Zhang and Cech, Peptide bond formation by in vitro selected ribozymes. Nature 390, 96-100 Así, también se ha sugerido que los aminoácidos podrían inicialmente complementarse con moléculas de ARN como cofactores mejorando o diversificando sus capacidades enzimáticas, antes de evolucionar a péptidos más complejos; el ARNm puede haber evolucionado con a partir de tales moléculas de ADN, y el ARNt de moléculas que hayan catalizado transferencias de aminoácidos de ellos.Szathmary E., The origin of the genetic code: amino acids as cofactors in an RNA world. Trends in Genetics, Volume 15, Number 6, 1 June 1999 , pp. 223-229(7)
ARN como almacén de información
El ARN es una molécula muy parecida al ADN y guarda dos diferencias químicas con éste, la estructura completa del ARN y del ADN son inmensamente similares. Una cadena de ADN y otra de ARN pueden unirse para formar una estructura de doble hélice. Esto hace posible el almacenamiento de información en el ARN de una forma muy parecida a la que se efectúa en el ADN.
Comparaciones en las estructuras del ADN y ARN
La principal diferencia es la presencia de un grupo hidroxilo en posición 2' del monosacárido ribosa en el ARN. Este grupo hace que la molécula sea menos estable. En las regiones flexibles del ARN (por ejemplo, las que no están constreñidas por la doble hélice) pueden ser atacadas químicamente por el enlace fosfodiéster adyacente de modo que se puede escindir. El grupo hidroxilo también fuerza a la ribosa a adoptar la conformación C3'-endo en lugar de la más habitual C2'-endo del ADN. Esto fuerza a la doble hélice a adoptar una conformación ligeramente diferente a la del ADN.
El ARN también utiliza un grupo de bases diferente -adenina, guanina, citosina y uracilo- en lugar de adenina, guanina, citosina y timina. El uracilo es químicamente similar a la timina, aunque emplea menos energía para producirse. En términos del apareamiento de bases esto no tiene ningún efecto, ya que la adenina puede unirse al uracilo perfectamente. Sin embargo, el uracilo es un producto de la trasmutación por daños de la citosina, haciendo que el ARN sea particularmente susceptible a mutaciones que pueden reemplazar un par de bases GC por GU o AU.
Se cree que el ARN ha precedido al ADN debido a su ordenamiento en las vías biosintéticas. Los desoxirribonucleótidos que se utilizan para producir ADN están hechos de ribonucleótidos, los componentes básicos del ARN, mediante la eliminación del grupo 2'-hidroxilo. Como consecuencia, una célula debe tener la capacidad de producir ARN antes de poder producir ADN.
Limitaciones en el almacenamiento de información en el ARN
No es fácil almacenar grandes cantidades de información en el ARN. Las propiedades químicas del ARN hacen que las moléculas grandes de ARN sean inherentemente frágiles y se puedan fragmentar con facilidad, siendo posteriormente descompuestas en nucleótidos por hidrólisis. Las bases aromáticas también absorben fuertemente la fracción ultravioleta del espectro y podrían haber sido susceptibles de daños y descomposición por la radiación de fondo. Estas limitaciones no hacen que sea imposible la utilización del ARN para almacenar información, sino solamente exigente desde el punto de vista energético (para reparar o reemplazar las moléculas dañadas de ARN) y propensas a la mutación. Mientras que esto hace que sea poco adecuado en la actual vida "optimizada" basada en el ADN, lo pudo haber sido para la vida primitiva.
ARN como regulador