Más cerca del origen de la vida: meteoritos, cianuro y química de sistemas

Más cerca del origen de la vida: meteoritos, cianuro y química de sistemas, por Carlos Briones
Más cerca del origen de la vida: meteoritos, cianuro y química de sistemas, por Carlos Briones

El origen de la vida es una cuestión fascinante, pero a la vez muy difícil de estudiar debido a que no tenemos evidencias directas sobre los procesos químicos que ocurrieron en la Tierra primitiva, hace más de 3.500 millones de años. Así, aunque cada vez sabemos más sobre cómo pudo darse la transición entre los sistemas químicos y los seres vivos, nuestras dudas siguen siendo muchas más que las certezas.

Pero la ciencia camina con paso firme y hace una semana se ha publicado un avance muy importante realizado en el laboratorio de John D. Sutherland, un químico británico que está revolucionando este campo al abordarlo desde una perspectiva nueva, la de la “química de sistemas”. Para poner este artículo en contexto y comprender su alcance merece la pena echar por un momento la vista atrás, hasta los primeros planteamientos sobre el origen de los seres vivos.

Los pioneros

Una de las aproximaciones al origen de la vida es la que conocemos como “del pasado hacia el presente” o “de abajo hacia arriba” (bottom-up, en inglés), ya que pretende llegar a las primeras células desde la química que podría haber existido en nuestro planeta una vez que contenía suficiente agua líquida, hace unos 3.900 millones de años. Este planteamiento sobre el origen parte (al igual que el top-down, del que hablaremos en otra ocasión) de una idea de Charles R. Darwin, que no quiso publicar en sus libros (pues era muy consciente de las limitaciones de la ciencia de su época para abordar este tema) pero sí esbozó en una carta enviada a su amigo, el eminente botánico Joseph D. Hooker, el 1 de febrero de 1871.

En ella imaginaba el origen de la vida en “un pequeño charco de agua templada que contuviera todo tipo de sales de fósforo y amonio, luz, calor, electricidad, etc., en la cual un compuesto proteico se formara químicamente, quedando listo para sufrir cambios aún más complejos”.

Estas líneas de Darwin estaban proponiendo algo revolucionario: un origen de la vida únicamente químico, a partir de sales minerales y otras sustancias que podrían reaccionar entre sí gracias a una fuente de energía presente en el medio. Además, de esta carta nos ha quedado la idea del “pequeño charco de agua templada” como un escenario posible para los primeros pasos de la vida.

Grandes nombres de la ciencia de las primeras décadas del siglo XX, como Alexander I. Oparin y John B.S. Haldane, plantearon interesantes modelos sobre el origen de los seres vivos basándose en esta visión “de abajo hacia arriba” que podría llevar desde el mundo inorgánico a la materia viva. Pero aún faltaban tres décadas para que la investigación sobre los primeros pasos de la vida pasara de los despachos a los laboratorios.

La química prebiótica

Basándose en esos antecedentes, el primer experimento que probó cómo moléculas químicas sencillas podían originar los monómeros o “ladrillos” con los que se construyen los polímeros biológicos (en concreto, las proteínas) no llegaría hasta 1953, cuando Stanley L. Miller realizó, en el laboratorio de Harold C. Urey, su famoso experimento de descargas eléctricas en un matraz que contenía los gases que en ese momento se pensaba habían formado la atmósfera primitiva de nuestro planeta: amoníaco (NH3), hidrógeno (H2), metano (CH4) y vapor de agua (H2O).

El resultado de dicha reacción fue la producción de, entre otros productos, un número limitado de biomoléculas como las que están presentes en todos los seres vivos, incluyendo los aminoácidos que constituyen las proteínas. Por tanto, quedaba demostrado que en ausencia de actividades biológicas la química puede originar los componentes básicos de la vida. El experimento de Miller inauguró la disciplina conocida como química prebiótica, que ponía de manifiesto algo hasta entonces impensable: el origen de la vida puede estudiarse en el laboratorio, como cualquier otra rama experimental de la ciencia.

El segundo hito importante llegó en 1959, de la mano de Joan Oró. Este gran bioquímico leridano que trabajaba en la Universidad de Houston logró sintetizar uno de los componentes de los ácidos nucleicos, la base nucleotídica adenina, por condensación de cinco moléculas de ácido cianhídrico (HCN, llamado cianuro de hidrógeno cuando está en forma gaseosa en vez de en disolución). Por tanto, curiosamente una de las moléculas principales para la vida se podía formar a partir de un compuesto tóxico para nosotros.

Unos años más tarde, el análisis del meteorito Murchison (del tipo condrita carbonácea, rico en materia orgánica), caído en Australia en 1969, mostró que contenía aminoácidos y otras biomoléculas similares a las obtenidas por Miller en sus experimentos. Con ello se hacía evidente que los procesos de síntesis abiótica de los monómeros de la vida podían darse en distintos lugares del universo. Desde esa época comenzó a generalizarse la idea de que parte de los ingredientes de la “sopa prebiótica” pudieron ser aportados por los meteoritos o los núcleos de los cometas, cuyos impactos fueron muy frecuentes en la Tierra primitiva. Con ello tomaba un nuevo impulso la hipótesis de la panspermia, aunque no porque pudieran llegar desde el espacio “seres vivos” ya formados sino algunos de los componentes moleculares necesarios para su origen.

¿En la receta de la “sopa prebiótica” había ingredientes extraterrestres? El artículo recientemente publicado por el grupo de J.D. Sutherland lo asume plenamente.
¿En la receta de la “sopa prebiótica” había ingredientes extraterrestres? El artículo recientemente publicado por el grupo de J.D. Sutherland lo asume plenamente.

Durante el último medio siglo, la química prebiótica ha sido una disciplina muy productiva, proponiendo mecanismos posibles para la síntesis de los monómeros de las biomoléculas, y también sistemas experimentales para polimerizar ácidos nucleicos y péptidos. Además, ha permitido plantear vías para el auto-ensamblaje de sustancias anfifílicas (con un extremo polar que tiende a interaccionar con el agua, y otro apolar e hidrófobo), como ácidos grasos o lípidos, lo que les lleva a formar membranas, micelas o vesículas. Este último punto es fundamental, pues permite generar compartimentos que pueden encapsular sistemas químicos capaces de reproducirse en determinadas condiciones.

La química de sistemas en el origen de la vida

Tradicionalmente, en el ámbito de la química prebiótica (y, por extensión, en toda la investigación sobre el origen de la vida) se han mantenido planteamientos enfrentados entre quienes opinan que cada uno de los tres sub-sistemas que componen los seres vivos (compartimento, metabolismo y genoma) es más importante que los demás, y por tanto debió ser el primero en establecerse en el camino hacia las células. Sin embargo, un análisis detallado de los sistemas vivos nos muestra que sus tres componentes son totalmente interdependientes, por lo que debieron formarse simultáneamente (teniendo en cuenta lo que esto significa en términos geológicos) y establecer interacciones funcionales desde su origen.

Por tanto, es necesario pensar en una química prebiótica más compleja que la habitualmente planteada, en la cual pudieran producirse diferentes reacciones biosintéticas en un mismo entorno, contando con los catalizadores (inicialmente, inorgánicos) adecuados. Así, durante los últimos años, Jack W. Szostak y otros científicos han propuesto escenarios más heterogéneos y ricos que los tradicionalmente asumidos en la investigación sobre el origen (o los orígenes) de la vida, lo que permite aplicar al ámbito de la química prebiótica los planteamientos y metodologías característicos de una disciplina emergente conocida como química de sistemas, de la que son pioneros investigadores como Günter von Kiedrowski o Sijbren Otto.

Dentro de esa línea, en 2009 brilló con luz propia el grupo liderado por John D. Sutherland, un químico muy imaginativo que trabaja en el MRC Laboratory of Molecualar Biology, en Cambridge. Tras varios años de investigación en su laboratorio, publicaban un artículo en Nature en el cual se demostraba experimentalmente que era posible sintetizar ribonucleótidos (los monómeros que constituyen el ácido ribonucleico o RNA, biopolímero clave en el origen de la vida dentro del modelo conocido como Mundo RNA) sin necesidad de formar individualmente los componentes que constituyen dichos ribonucleótidos (el azúcar ribosa, una base nitrogenada y un grupo fosfato) y después unirlos entre sí, como tradicionalmente se había intentado hacer en el campo de la química prebiótica. De hecho, ahí radicaba una de las principales limitaciones para plantear el origen del “Mundo RNA”: la síntesis de ribosa era un proceso muy poco eficiente en las condiciones habitualmente ensayadas, y también resultaba extremadamente difícil lograr su unión a bases nucleotídicas.

Ante ello, Sutherland y sus colaboradores se habían planteado lo siguiente: en un ribonucleótido se distinguen los tres componentes químicos unidos entre sí, y en la biología actual cada uno de ellos se forma por separado y luego se combinan, gracias a la acción de un buen número de actividades enzimáticas desarrolladas por proteínas… ¿pero esto implica necesariamente que en condiciones prebióticas los componentes de los ribonucleótidos se formaron por separado? Su apuesta era que no había ninguna necesidad para ello, ya que durante la síntesis de estos monómeros biológicos no pudieron participar enzimas (ni lógicamente moléculas de RNA con actividad enzimática, llamadas ribozimas, pues aún no existían) catalizando los procesos, por lo que los caminos seguidos por la química pudieron ser muy diferentes a los que hoy nos parecen evidentes examinando los seres vivos.

Esquema de la reacción de síntesis de ribonucleótidos de pirimidina propuesta por el grupo de Sutherland (en verde) frente a la aproximación intentada anteriormente en el campo de la química prebiótica (en azul, mostrando la etapa de condensación de la ribosa con la base nitrogenada que no llegaba a producirse). Figura tomada de Powner y col., 2009.
Esquema de la reacción de síntesis de ribonucleótidos de pirimidina propuesta por el grupo de Sutherland (en verde) frente a la aproximación intentada anteriormente en el campo de la química prebiótica (en azul, mostrando la etapa de condensación de la ribosa con la base nitrogenada que no llegaba a producirse). Figura tomada de Powner y col., 2009.

Así, propusieron un planteamiento basado en la química de sistemas para originar conjuntamente el ribonucleótido completo a partir de moléculas de partida muy sencillas. Y tuvieron éxito: iniciando el proceso con precursores simples y potencialmente abundantes en la Tierra primitiva (cianamida, cianoacetileno, glicoaldehido y gliceraldehido), observaron que en presencia de fosfato se puede sintetizar el nucleótido de forma conjunta, sin que sean necesarias etapas intermedias para formar por separado la ribosa ni la base nucleotídica. Con ello se ponía de manifiesto que la química de sistemas prebiótica podía ofrecer rutas alternativas muy eficientes para la formación de las moléculas necesarias para la vida, y por tanto ayudar a resolver parte de las incógnitas planteadas en este campo.

Ribonucleótidos, aminoácidos y precursores de lípidos

Tras el éxito obtenido en la síntesis de ribonucleótidos, el grupo de Sutherland ha seguido trabajando en este campo y comunicando resultados interesantes. El último de sus hallazgos ha sido publicado el 16 de marzo de 2015 en la versión electrónica de Nature Chemistry, y en muy poco tiempo este artículo ha despertado gran interés entre la comunidad científica.

La última publicación del laboratorio de Sutherland
La última publicación del laboratorio de Sutherland

El artículo muestra, de una forma experimentalmente impecable, que es posible sintetizar los monómeros fundamentales para los tres sub-sistemas de los seres vivos (ribonucleótidos, aminoácidos y precursores de lípidos) a partir de dos moléculas con solo tres átomos cada una: HCN (el mismo compuesto con el que trabajaba Oró) y H2S (sulfuro de hidrógeno, llamado ácido sulfhídrico cuando está en disolución). El HCN, que aporta los átomos de C y N necesarios para todas las rutas sintéticas producidas en esta red de reacciones, habría sido generado según este modelo como consecuencia de la interacción entre el carbono aportado por meteoritos de tipo condrita carbonácea (como el del Murchison) y el nitrógeno atmosférico, gracias a las altas temperaturas alcanzadas en el impacto.

Por su parte, el origen del H2S estaría en la reacción de ciertos sulfuros metálicos (endógenos, o aportados por otros meteoritos) con el HCN en disolución, y además es un gas típico de las emisiones volcánicas. Los demás ingredientes necesarios para desencadenar la “química prebiótica ciano-sulfhídrica”, como la han denominado los propios autores, serían grupos fosfato (que provendrían de minerales ricos en fósforo que pueden formar inclusiones en los meteoritos metálicos) y superficies minerales capaces de actuar como catalizadores, todo ello en presencia de las grandes dosis de radiación ultravioleta que llegarían a la Tierra primitiva.

Red de reacciones planteadas para la síntesis simultánea de ribonucleótidos (a), precursores de lípidos (b) y aminoácidos (c, d). Figura adaptada de Patel y col., 2015.
Red de reacciones planteadas para la síntesis simultánea de ribonucleótidos (a), precursores de lípidos (b) y aminoácidos (c, d). Figura tomada de Patel y col., 2015.

A diferencia de lo habitual en otros artículos sobre química prebiótica, en este trabajo Sutherland propone un escenario geológico donde podrían haber tenido lugar las reacciones que han realizado en su laboratorio de Cambridge. Dada la fuente de varios de los ingredientes necesarios, lógicamente se propone un entorno dominado por los impactos meteoríticos, en el que las moléculas extraterrestres se mezclarían con las presentes en nuestro planeta hace aproximadamente 3.900 millones de años. En este escenario las reacciones necesarias para formar los distintos monómeros se habrían podido producir de forma simultánea, en lugar de secuencialmente como se había asumido hasta ahora.

Sin embargo, los autores reconocen que, al requerir las rutas que llevan a cada tipo de monómero entornos químicos diferentes (por ejemplo, conteniendo distintos metales capaces de actuar como catalizadores), el proceso pudo ser mucho más eficiente si las reacciones sintéticas estuvieran separadas inicialmente y luego se mezclaran entre sí. Esta condición podría cumplirse suponiendo distintas zonas encharcadas inicialmente inconexas dentro de uno o varios cráteres de impacto, de forma que luego se pusieran en contacto, por ejemplo gracias a la lluvia y a la formación de corrientes de agua entre ellas.

Eventos principales producidos en el escenario prebiótico planteado. Figura adaptada de Patel y col., 2015.
Eventos principales producidos en el escenario prebiótico planteado. Figura adaptada de Patel y col., 2015.

Este sugerente artículo ha tenido un gran recibimiento y científicos tan relevantes en el ámbito del origen de la vida como el propio Szostak o David Deamer lo han acogido con entusiasmo, en parte porque supone un buen punto de partida para sus propias aproximaciones experimentales al origen de la vida. No obstante, la implicación de los dos tipos de meteoritos (metálicos y condritas carbonáceas) en el proceso podría entenderse como un requerimiento ad hoc para que a esta receta de la sopa prebiótica no le falte ningún ingrediente. Además, como ha comentado con acierto César Tomé, incluso dando a los meteoritos el papel que les corresponde en este modelo, entre otras cosas queda pendiente demostrar que pudieron haber producido las concentraciones suficientes de HCN y H2S para desencadenar el proceso biosintético propuesto.

Un escenario parecido a éste pudo intervenir en el origen de la vida: distintos ambientes acuosos en contacto con superficies minerales, que en ocasiones pueden mezclar sus componentes y desencadenar nuevos procesos biosintéticos. Fotografía del autor.
Un escenario parecido a éste pudo intervenir en el origen de la vida: distintos ambientes acuosos en contacto con superficies minerales, que en ocasiones pueden mezclar sus componentes y desencadenar nuevos procesos biosintéticos. Fotografía del autor.

En resumen, estamos ante un paso importantísimo en la investigación sobre química prebiótica, que probablemente desencadenará discusiones muy productivas durante los próximos tiempos. ¿Realmente ocurrió algo así? Nunca lo sabremos. Pero ahora sí tenemos certeza de que pudo ocurrir, ya que las leyes de la física y la química (invariables desde los primeros instantes del universo) lo permiten. De esta forma avanza la ciencia, que es la única herramienta de la que disponemos para investigar racional y críticamente sobre el funcionamiento de la naturaleza: descartando escenarios imposibles y profundizando en los procesos que sí pueden (y por tanto pudieron) producirse. Una lógica que, por cierto, también aplicaba Sherlock Holmes… y siempre le dio buenos resultados.

Por último, poniendo en contexto este nuevo logro de la química de sistemas prebiótica, hemos de reconocer que nos acerca a los orígenes pero (a diferencia de lo que han publicado algunos medios) no resuelve cómo surgió la vida: es tan sólo la primera etapa del largo camino eventualmente producido entre este mundo de monómeros y las primeras células, de las cuales deriva toda la biodiversidad que nos rodea. En cualquier caso, probablemente el último artículo publicado por el laboratorio de Sutherland es el que hoy en día les hubiera gustado escribir a Miller o a Oró. Y quizá este escenario se parezca bastante al que Darwin tenía en la cabeza cuando, en aquel frío invierno de 1871, planteó a su amigo Hooker la química que pudo haberse dado en un pequeño charco de agua templada.

Referencias:

Patel, B.H., Percivalle, C., Ritson, D.J., Duffy, C.D., Sutherland, J.D. (2015) Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nature Chemistry, in press (DOI: DOI: 10.1038/NCHEM.2202).

Powner, M.W., Gerland, B., Sutherland, J.D. (2009). Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459: 239-242.

Ruiz-Mirazo, K., Briones, C., de la Escosura A (2014). Prebiotic systems chemistry: new perspectives for the origins of life. Chemical Reviews 114: 285-366.

Szostak, J.W. (2011). An optimal degree of physical and chemical heterogeneity for the origin of life? Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 366: 2894-2901.

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