Los astrobiólogos se centran en resolver dos cuestiones centrales para comprender los límites medioambientales y químicos de la vida. Al comprender los límites de la vida, pretenden identificar posibles biofirmas en atmósferas de exoplanetas y en el sistema solar. Por ejemplo, la membrana de la bicapa lipídica es un requisito previo fundamental para la vida tal como la conocemos en la Tierra. Estudios anteriores basados ​​en simulaciones de dinámica molecular han sugerido que las membranas de polaridad invertida conocidas como azotosomas hechas de pequeñas moléculas que contienen nitrógeno pueden ser cinéticamente abundantes en mundos líquidos criogénicos como Titán, la luna de Saturno.

En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , H. Sandström y M. Rahm en el departamento de Química e Ingeniería Química de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, formó un próximo paso potencial para investigar la viabilidad termodinámica de la formación de azotosomas. Usando cálculos de mecánica cuántica, predijeron que los azotosomas son incapaces de autoensamblarse en agua líquida a diferencia de las bicapas lipídicas. Proponen que debido a las estrictas condiciones anhidras y de baja temperatura, las membranas celulares pueden ser innecesarias para la astrobiología hipotética en Titán. Estos esfuerzos en astrobiología computacional predictiva serán de importancia para el aterrizaje programado de la misión Dragonfly en Titán en 2034.

La luna de Saturno, Titán, presenta una rica química atmosférica y una morfología superficial dinámica impulsada por lluvias estacionales predominantemente de ciclos de metano y etano. Los científicos han observado lagos y mares de hidrocarburos cerca de las regiones polares de Titán para establecer comparaciones con el ciclo hidrológico de la Tierra en relación con el origen de la vida. Las condiciones de la superficie de Titán son, sin embargo, un frígido 90 a 94 K y en contraste con la Tierra, La superficie más externa de Titán está libre de oxígeno y está cubierta por productos de su fotoquímica atmosférica. Los investigadores también sospechan la presencia de una corteza de agua helada debajo de la capa orgánica más externa. Como la prueba más estricta de los límites de la vida, Titán ofrece un entorno único para explorar la complejidad química de la naturaleza y su progresión sin agua líquida a bajas temperaturas en escalas de tiempo cercanas a la edad del sistema solar.

La falta de energía térmica (kT =0,75 kJ / mol a 90 K) es un cuello de botella para la reactividad química en Titán, sin embargo, la luz del sol es una fuente de energía (0,4 W / m ² ) disponible para que ocurra la química. En este trabajo, Sandström y Rahm abordaron la probabilidad de formación de membranas celulares abióticas, uno de los requisitos previos para el origen de la vida en mundos como Titán. Los investigadores también habían discutido la idea de la compartimentación como algo fundamental para la vida para sugerir la fascinante posibilidad de los azotosomas en Titán.

Los azotosomas son membranas hechas de moléculas pequeñas con un grupo de cabeza de nitrógeno y un grupo de cola de hidrocarburo. Los grupos hidrófobos (grupos que odian el agua) permanecen en el exterior de las membranas azotosomas (polaridad invertida) en comparación con las membranas lipídicas normales en el agua, donde los grupos hidrófobos suelen permanecer en el interior. Usando una solución de dinámica molecular en metano criogénico, Los equipos de investigación predijeron que si las estructuras estuvieran hechas de acrilonitrilo (C ₂ H ₃ CN) tendrían una elasticidad similar a la de una bicapa lipídica normal en solución acuosa. La posibilidad de azotosomas encendió aún más las discusiones sobre los límites de la vida. Dos años después de la predicción original, Los científicos detectaron de manera impresionante el acrilonitrilo en Titán utilizando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA).

Dado que las membranas y micelas normales abióticas y biológicas se forman a través de procesos de autoensamblaje espontáneos impulsados ​​por una termodinámica favorable. Los científicos investigaron si la membrana azotosoma propuesta también seguía siendo igualmente viable para las bases termodinámicas. Para esto, Sandström y col. presentaron estimaciones de la persistencia cinética de los azotosomas utilizando cálculos químicos cuánticos y luego abordaron sus asociaciones para la exobiología hipotética bajo estrictas condiciones termodinámicas en Titán.

En la hipótesis del "mundo de los lípidos" o "las células primero", la formación abiótica de membranas contribuyó al surgimiento de la vida; donde los lípidos en el agua se autoensamblan espontáneamente para formar estructuras supramoleculares como membranas y micelas, por encima de una concentración crítica. Durante el autoensamblaje de azotosomas en Titán, las estructuras previstas deberán ser cinéticamente persistentes y termodinámicamente más bajas en energía que el cristal molecular correspondiente (hielo molecular). El equipo de investigación utilizó hielo molecular cristalino como competidor para el autoensamblaje de acrilonitrilo.

Sandström y col. Mecánica cuántica aplicada en forma de teoría funcional de densidad corregida por dispersión (DFT) para calcular la energía de las cuatro fases del hielo de acrilonitrilo correspondientes a los datos experimentales de difracción. Los cálculos de DFT confirmaron la ausencia de modos de fonón imaginarios, para asegurar la estabilidad dinámica de la estructura, que, además, confirmaron utilizando simulaciones de dinámica molecular cuántica basadas en DFT en metano líquido a 90 K. Los cálculos tuvieron en cuenta los eventos térmicos y entrópicos en las condiciones relevantes de la superficie de Titán al considerar la interacción de la dispersión con el entorno de metano circundante.

El problema de la termodinámica del origen de la vida no es exclusivo de Titán; los requisitos de energía de Gibbs para la formación macromolecular se reducen en superficies donde la vida superficial constituye un posible primer paso en la evolución de la vida en la Tierra. Los científicos limitaron sus cálculos para evaluar solo el azotosoma basado en acrilonitrilo y su autoensamblaje en condiciones relevantes en Titán. y mostraron su suficiente estabilidad cinética para la persistencia a largo plazo a 90 K. Las estructuras de membrana hipotéticas hechas de moléculas más grandes eran considerablemente menos estables cinéticamente.

Los resultados no describieron de manera concluyente una posible ruta de autoensamblaje para membranas operables criogénicas, Sandström et al. did not rule out the existence and relevance of other polarity-inverted membranes built from far more strongly interacting constituents within warmer hydrocarbon environments. In the absence of azotosomes or other cell membranes, it is unlikely for life-governing processes to occur under cryogenic conditions, although life on cold hydrocarbon worlds such as Titan would not necessarily require cell membranes either. The scientists further indicate that any hypothetical life-bearing macromolecule or crucial machinery of a life form on Titan will only exist in the solid state and never risk destruction by dissolution.

The question remains if these biomolecules would benefit from a cell membrane. Due to low temperature conditions on Titan, biological macromolecules may rely on the diffusion of small energetic molecules such as hydrogen, acetylene or hydrogen cyanide for growth and replication. A membrane could hinder such benefits of diffusion. Similar, a membrane can hinder the removal of waste products of metabolism including methane and nitrogen. En cambio, it is also possible for a hypothetical cell membrane to protect against harmful chemicals on Titan. Sin embargo, the narrower energetic range calculated for thermally driven reaction pathways on Titan indicate that only fewer options may damage macromolecules on Titan compared to Earth.

De este modo, azotosomes proposed to allow cryogenically operable membranes in liquid methane, pose an intriguing challenge to the principal understanding of biology. The molecule has highlighted the importance of following up properties of predicted molecules in computational astrobiology, to identify their plausible formation routes whenever possible. It is still exceedingly difficult to arrive at specific predictions of chemistry to support biological processes that occur under stringent, thermodynamic environmental constraints on worlds such as Titan. As the molecule of interest grows in complexity, the challenge to reliably model their properties and routes of formation (kinetics and thermodynamics) can become exceedingly difficult.

H. Sandström and M. Rahm calculated that azotosome membranes may be kinetically persistent, although the structure may not be thermodynamically feasible—preventing their self-assembly (unlike lipid bilayers in liquid water). They argue that cell membranes are unlikely to form on Titan's anhydrous and low-temperature environments. While it is possible to experimentally test computational predictions on the existence or nonexistence of azotosome membranes, speculations on the factual environmental limits of prebiotic chemistry and biology remain speculations. The research team suggest careful computational exploration of proposed prebiotic and biological structures and processes, and their plausibility to guide future in situ sampling of the surface chemistry of Titan.

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