Al igual que las historias de creación mítica que describen la formación del mundo como la historia del orden del caos, la Tierra primitiva albergaba un desorden caótico de moléculas orgánicas de las que, de alguna manera, Surgieron estructuras biológicas más complejas como el ARN y el ADN.

No había una mano guía para dictar cómo las moléculas dentro de ese desorden prebiótico deberían interactuar para formar vida. Todavía, si esas moléculas hubieran interactuado al azar entonces, con toda probabilidad, que nunca hubieran encontrado las interacciones correctas para finalmente conducir a la vida.

"La pregunta es, de todas las posibilidades aleatorias, ¿Existe alguna regla que gobierne estas interacciones? ", pregunta Ramanarayanan Krishnamurthy, químico orgánico en el Instituto de Investigación Scripps en California.

Estas reglas serían selectivas, conduciendo inevitablemente a las interacciones correctas para ensamblar los componentes básicos de la vida. Para descubrir los secretos de estas reglas y cómo el desorden prebiótico pasó al mundo de la vida biológicamente ordenado, Krishnamurthy utiliza una disciplina llamada "química de sistemas, "y publicó un artículo sobre el tema en la revista Cuentas de investigación química que explora esta forma relativamente nueva de entender cómo la vida proviene de la no-vida.

El genetista y ganador del premio Nobel Jack Szostak de la Facultad de Medicina de Harvard describe la química de sistemas como:"una de las nuevas formas de pensar sobre los problemas de la química prebiótica". Para comprender cómo funciona la química de sistemas, piense en un frasco lleno de químico A, a lo que otro químico, B, se agrega y que reacciona con A para producir dos químicos más, C y D. Dado que ningún proceso es 100% eficiente, el matraz ahora contiene los químicos A, B, C y D. "Ahora tienes un sistema, "explica Krishnamurthy. La química de sistemas considera el sistema como un todo y explora las reglas dentro de ese sistema que gobiernan cómo cada químico interactúa con los demás, y en diferentes condiciones.

Todavía, La química de los sistemas es algo más que tratar con sistemas que contienen muchas sustancias químicas, dice Szostak. "Es cuestión de pensar en qué sustancias químicas o condiciones probablemente estén disponibles y sean útiles". Cita el ejemplo del fosfato, que está automáticamente presente en los sistemas bioquímicos debido a su existencia en los bloques de construcción de nucleótidos de la biología, y por lo tanto está disponible para desempeñar múltiples roles en la historia de la vida, como actuar como catalizador y proteger las células de los cambios de pH.

Por supuesto, desentrañar la química del desorden prebiótico está muy lejos de explicar las interacciones de cuatro sustancias químicas en un matraz. La potencia informática y analítica necesaria para simular un sistema tan complejo estaba fuera de alcance hace apenas una o dos décadas. En lugar de, la mayoría de las investigaciones sobre el origen de la vida se habían centrado anteriormente en clases individuales de biomoléculas, el más prometedor es el ARN (ácido ribonucleico).

Un escenario de huevo y gallina

La teoría del mundo de ARN, que es la idea de que el ARN existía antes que las células, se enfrenta a una paradoja. El ARN produce proteínas, pero las proteínas también forman el ARN. "Los biólogos tomaron la biología moderna y, en aras de la parsimonia, la corrieron al revés, pero luego se encontraron con el problema de lo que vino primero, proteínas o ARN? ", dice Krishnamurthy

Cuando Thomas Cech de la Universidad de Colorado descubrió en 1981 que el ARN puede catalizar reacciones dentro de sí mismo, el problema parecía haberse resuelto. Durante la noche, La importancia del ARN para la vida se transformó. Al ser catalítico, El ARN podría impulsar otra bioquímica, incluida la formación de proteínas y, por lo tanto, tenía que ser lo primero. El descubrimiento posterior de que es la molécula de ARN en un ribosoma la responsable de la síntesis de proteínas dio mayor credibilidad a la hipótesis del "mundo del ARN".

El mundo del ARN tiene, sin embargo, ha recibido muchas críticas últimamente, que Krishnamurthy cree que es merecido. El ARN es capaz de transferir información genética en organismos y está formado por cadenas de ribonucleótidos. Pero hay una trampa.

"Los nucleótidos no solo surgen de mezclas químicas, tienen que estar hechos de una manera muy definida, ", dice." Tiene que haber un cierto orden en la secuencia de reacción. No es como el experimento de descarga de chispas de Stanley Miller donde puso todos estos gases juntos, presionó un interruptor y '¡Voila!' "

La química de sistemas describe el desarrollo del ARN como una cadena de eventos impulsados ​​por interacciones selectivas y catálisis. Los ribonucleótidos se forman a partir de ribonucleósidos unidos al fosfato. Un nucleósido consta de una nucleobase, que es un compuesto portador de nitrógeno, unido a un monosacárido, que es un azúcar que contiene cinco átomos de carbono, llamadas pentosas. Entre la población de monosacáridos se encuentran cuatro pentosas, entre ellos ribosa, que de alguna manera se convierte selectivamente en ribonucleósido en lugar de las otras tres pentosas.

Aunque Szostak está de acuerdo en que la química de sistemas tiene el poder de respaldar la teoría del mundo del ARN, o al menos explicar el origen del ARN, señala que se ha trabajado una cantidad desproporcionada para comprender cómo se forman los nucleótidos, y no lo suficiente en lo que sucede después de eso. "Todavía faltan pasos para comprender cómo se puede fabricar el ARN, ", dice. Entonces, El desafío ahora para la química de sistemas es mostrar cómo y por qué ocurre cada una de estas etapas.

"Simplemente sintetizar un monómero de ARN como un nucleósido o un nucleótido no es suficiente para decir que ha encontrado el origen del ARN, ", dice Krishnamurthy." ¿Cómo se combinan esos monómeros de una manera significativa que sea autosostenible? "

El efecto de selección podría tener lugar en una multitud de niveles en la creación de ARN. Quizás las reglas de selección son las que determinan por qué la ribosa, en lugar de las otras tres pentosas:xilosa, lyxose o arabinose:se convierte en los nucleósidos utilizados por el ARN. Quizás el efecto de selección surge al explicar por qué el fosfato prefiere unirse con los ribonucleósidos, en lugar de cualquier otro nucleósido. O, posiblemente son los propios ribonucleótidos los que se seleccionan por ser más eficientes que otros nucleótidos en la formación de cadenas. Aún no sabemos cuál es la respuesta pero Krishnamurthy cree que la química de sistemas es la mejor herramienta para averiguarlo.

Efectos de selección

Encontramos reglas de selección que impulsan interacciones en química como resultado de las condiciones ambientales; o propiedades emergentes como la actividad catalítica, autoensamblaje y autorreplicación; o incluso como resultado de las características específicas de las reacciones químicas.

Cianuro, por ejemplo, toma la forma de nitrilos no tóxicos en bioquímica, enlazándose con moléculas basadas en carbono para formar moléculas orgánicas más complejas. También es un reactivo bastante útil. Agregue cianuro a dos compuestos orgánicos específicos que contienen cetona y ácido carboxílico, llamados cetoácidos y cetoalcoholes, y produce cianohidrinas que son importantes precursores de algunos aminoácidos. Sin embargo, en agua, las cianohidrinas pueden sufrir hidrólisis y descomponerse, pero si lo hacen o no depende del pH de esa agua. En un artículo publicado en Química:una revista europea , Krishnamurthy, Jayasudhan Yerabolu, colega de Scripps, y el químico del Instituto de Tecnología de Georgia, Charles Liotta, descubrió que la hidrólisis tiene lugar a un pH de menos de 7 para las cianohidrinas formadas a partir de cetoácidos, y un pH superior a 7 para las cianohidrinas formadas a partir de cetoalcoholes. Por lo tanto, la supervivencia a largo plazo de las cianohidrinas depende selectivamente de la acidez o alcalinidad del entorno circundante.

Otro ejemplo que abarca la reactividad al cianuro involucra moléculas de oxalacetato y alfa-cetoglutarato, que juegan un papel en el ciclo del ácido cítrico (una serie de reacciones químicas de liberación de energía utilizadas por la vida que respira oxígeno). En presencia de cianuro, el oxalacetato se transforma selectivamente en lugar del alfa-cetoglutarato, para formar un derivado de ácido hidroxisuccínico.

"En una mezcla donde puedes encontrar tanto oxalacetato como alfa-cetoglutarato, agregando cianuro puede transformar selectivamente uno pero no el otro, "dice Krishnamurthy.

Estos ejemplos demuestran lo que Krishnamurthy describe como la transición de la heterogeneidad heterogénea (diversas interacciones en un sistema de muchas moléculas) a la heterogeneidad homogénea (seleccionando entre diversas interacciones entre relativamente pocas moléculas que forman la columna vertebral de los sistemas de la vida, como el ARN). En otras palabras, es el surgimiento del desorden prebiótico de una protobioquímica ordenada.

"La solución parece pasar de la mezcla heterogénea a lo que llamo heterogeneidad homogénea, ", dice Krishnamurthy." Esto es lo que nuestro laboratorio está tratando de demostrar como una prueba de principio ".

Aún queda un largo camino por recorrer y Krishnamurthy recomienda que el progreso se hará mejor con pequeños pasos a medida que los científicos desarrollen este enfoque de abajo hacia arriba del origen de la vida a partir del desorden prebiótico heterogéneo. Al descubrir reacciones y catálisis que seleccionan las interacciones correctas entre compuestos orgánicos, el objetivo es desarrollar nuestra comprensión de cómo se ensamblan los bloques de construcción básicos, cómo, por ejemplo, El ARN emergió del caos.

En última instancia, el deseo es construir una simulación experimental que incluya toda la heterogeneidad heterogénea del desorden prebiótico en una réplica del entorno primitivo de la Tierra. y luego ejecutar esa simulación una y otra vez para ver qué interacciones selectivas son más comunes y si pueden repetir el origen de la vida.

"Soy optimista de que podremos encontrar caminos razonables para hacer todos los componentes básicos de la biología, y para ensamblar estos componentes en simples, células primitivas, "dice Szostak". Sin embargo, hay mucho que aprender antes de que podamos lograr este ambicioso objetivo ".

Al igual que el matraz que terminó conteniendo los químicos A, B, C y D, los productos finales de estas reacciones selectivas podrían comenzar a interactuar con sus sustancias químicas de origen, algo que no pasa en limpio, mundo de ARN aislado que se estudia en el laboratorio. ¿Qué soluciones nuevas y previamente pasadas por alto esperan ser descubiertas y con qué rapidez los pequeños pasos nos llevarán a ellas?

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de la revista Astrobiology Magazine de la NASA. Explore la Tierra y más allá en www.astrobio.net.