En una mesa de laboratorio, un puñado de viales de vidrio pegados a una mecedora se balancean suavemente hacia adelante y hacia atrás. Dentro de los viales una mezcla de sustancias químicas orgánicas y pequeñas partículas de oro de los tontos plantean una pregunta aparentemente más allá de su apariencia humilde:¿De dónde vino la vida?

Combinando teoría con experimento, Los científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison están tratando de comprender cómo la vida puede surgir de la no vida. Investigadores del Instituto de Descubrimiento de Wisconsin de UW-Madison están realizando experimentos para probar la idea de que las reacciones químicas reales podrían desarrollarse fácilmente en las condiciones adecuadas. El trabajo aborda algunos de los misterios más profundos de la biología, y tiene implicaciones para comprender cuán común podría ser la vida en el universo.

David Baum, presidente y profesor de botánica en UW – Madison y Discovery Fellow en WID, cree que la vida más temprana pudo haber dependido de un metabolismo primitivo que originalmente comenzó en superficies minerales. Muchas reacciones centrales en las células modernas se basan en catalizadores de hierro-azufre. Esta dependencia del hierro y el azufre podría ser un récord grabado en las células de los entornos donde evolucionó por primera vez el metabolismo. Baum está probando esta idea recurriendo a pirita de hierro, un mineral de hierro y azufre mejor conocido como oro de los tontos.

Junto con Mike Berg, un estudiante de posgrado que investiga los orígenes de la vida, Baum está mezclando perlas microscópicas de pirita de hierro con una fuente de energía química y bloques de construcción moleculares simples. A medida que los viales de esta mezcla se mueven de un lado a otro en el laboratorio, pequeños grupos de sustancias químicas adheridas a la superficie del mineral podrían agregarse y comenzar a ayudarse entre sí para producir más sustancias químicas. Si es así, es probable que se propaguen a otras perlas de pirita de hierro, colonizando nuevas superficies.

Cuando Berg transfiere algunas cuentas a un frasco nuevo, los grupos químicos podrían seguir propagándose. Generación tras generación, vial tras vial, las mezclas químicas más eficientes y competitivas colonizarían la mayor parte de la pirita de hierro. Esta es la selección. Como la selección natural, que ha creado la diversidad y complejidad de la vida en la Tierra, la selección de la capacidad colonizadora de estos grupos químicos puede revelar ciclos químicos reales capaces de cambiar con el tiempo.

"La opinión a la que he llegado es que la química realista puede surgir con relativa facilidad en muchos muchos escenarios geológicos, "dice Baum." Entonces el problema cambia. Ya no es un problema de '¿sucederá? 'pero ¿cómo sabremos que sucedió? "

Han pasado por más de 30 generaciones hasta ahora, y buscan cualquier signo de cambio a lo largo del tiempo, si eso es generación de calor, el consumo de energía o la cantidad de material unido a las perlas.

Baum y el microbiólogo y biólogo de sistemas WID de UW-Madison Kalin Vetsigian publicaron un artículo el año pasado que describía los experimentos, que se basan en parte en el principio de selección de vecindarios. Normalmente, la selección natural opera sobre una población de individuos. Pero los científicos propusieron que, aunque no existen individuos bien definidos en las mezclas químicas, prevalecerán las comunidades moleculares que son mejores para colonizar nuevas superficies, y probablemente mejore con el tiempo. Los rasgos exitosos de la comunidad en su conjunto pueden seleccionarse y transmitirse.

"Esta selección a nivel de la comunidad podría haber tenido lugar antes de que hubiera individuos con rasgos heredables y variables, "dice Vetsigian." Si tienes buenas comunidades, ellos persistirán ".

El proyecto recibió recientemente $ 2.5 millones en fondos de la NASA. Baum es el investigador principal de la investigación, que incluye a Vetsigian, Tehshik Yoon, químico de UW-Madison, y colaboradores de otras siete instituciones.

Las células necesitan los tipos de reacciones metabólicas que estudia Baum para producir energía y los componentes de moléculas más complejas. También necesitan una forma de almacenar información. Todas las células vivas transmiten su información genética con el ADN. Pero el profesor de ingeniería química y biológica de la UW-Madison y el biólogo de sistemas WID John Yin está explorando formas alternativas de almacenar y procesar información con moléculas más simples en un esfuerzo por comprender cómo el almacenamiento de información podría evolucionar sin células o ADN.

Siguiendo el ejemplo de la informática, Yin está trabajando con el método más básico de codificación de información, binario. En lugar de bits electrónicos, sus unos y ceros son los dos aminoácidos más simples, glicina y alanina. Usando una forma única de química, Yin está secando mezclas de aminoácidos para animarlos a unirse.

"Estamos viendo cadenas de alanina y glicina reproduciblemente diferentes en diferentes tipos de condiciones, "explica Yin." Así que ese es un primer indicio de que, de alguna manera, el producto es una forma de representar un entorno en particular ".

El grupo de Yin está trabajando en la tarea técnicamente desafiante de leer estas secuencias de aminoácidos para que puedan realizar un seguimiento de la información molecular. El laboratorio de Yin eventualmente espera descubrir grupos de químicos que puedan construir a partir de esta información molecular para reproducirse. Tanto para Baum como para Yin, Los sistemas seleccionables requieren estos ciclos de productos químicos capaces de producir más entre sí, lo que Yin llama "cerrar el círculo".

Es probable que sea difícil cerrar el círculo en el laboratorio. Solo la experimentación lo dirá con seguridad.

Yin Baum y Vetsigian están interesados ​​no solo en cómo comenzó la vida en la Tierra, pero cómo podría empezar, en cualquier lugar. Si en el laboratorio se producen fácilmente reacciones químicas e información molecular realistas, eso podría cambiar el cálculo de lo común que podría ser la vida en otros mundos.

"Si encontramos muchas químicas diferentes que respaldan reacciones reales, podemos esperar más orígenes de vida en otras partes del universo, "dice Baum.