En un proyecto financiado por el Austrian Science Fund FWF, el bioquímico Markus Keller demostró con éxito la importancia de los mecanismos metabólicos que pudieron desarrollarse en las células hace cuatro mil millones de años. Su investigación proporciona conocimientos completamente nuevos sobre el origen de la vida.
El origen de la vida es quizás el mayor misterio de la ciencia. Todavía no se comprende adecuadamente cómo algo tan complejo pudo evolucionar a partir de la naturaleza inanimada. El bioquímico Markus Keller de la Universidad Médica de Innsbruck ha hecho ahora una importante contribución a nuestra comprensión de cómo se desarrolló la vida en la Tierra. Una beca Erwin-Schrödinger de la FWF permitió a Keller realizar investigaciones en el extranjero. En el curso de su trabajo, exploró cómo se desarrollaron algunos procesos muy antiguos y complejos del metabolismo celular. - Procesos que tienen casi cuatro mil millones de años y que también se encuentran en el organismo humano.
"El quid aquí es cómo comenzó el metabolismo en primer lugar", dice Keller. "En algunos lugares de nuestro planeta hay sedimentos muy antiguos que muestran que la vida comenzó hace más de 3.700 millones de años. De estos sedimentos no podemos, sin embargo, para concluir exactamente en qué forma existía la vida y cuáles eran sus características. Solo sabemos que debe haber habido algún tipo de actividad metabólica ", señala Keller.
Algunas vías metabólicas son idénticas en casi todos los organismos vivos del planeta. Un ejemplo es la glucólisis, el procesamiento del azúcar. "Plantas, las bacterias y otros organismos vivos utilizan la glucosa de la misma forma que nosotros. Podemos suponer que los procesos fueron los mismos en las formas de vida que existían en las primeras etapas de la evolución. La pregunta es la siguiente:¿cómo podrían estas formas de vida interconvertir los productos intermedios de la glucólisis? "
El misterio de las enzimas faltantes
El metabolismo celular es un sistema complicado que depende de una serie de enzimas. - Estas proteínas especiales sirven como catalizadores, y algunos procesos no serían posibles sin ellos. Si falta una enzima, el ciclo completo no funciona. Como explica Keller, es un problema del huevo o la gallina:¿qué fue primero? Las enzimas, ¿Cuáles son los productos metabólicos en sí mismos? O metabolismo que no funciona sin enzimas? Hace solo unos años, la idea de que varios de estos mecanismos metabólicos podrían haber funcionado sin enzimas, simplemente por las condiciones ambientales imperantes, fue menospreciado como "pensamiento mágico". Pero son precisamente estos procesos cuya existencia Keller pudo demostrar.
Importancia del hierro en el océano Arcaico
Sus primeros artículos versaron sobre la glucólisis y lo que se denomina "vía de las pentosas-fosfato". "En el momento en que la vida debe haber comenzado, el océano Arcaico era relativamente cálido y contenía una gran cantidad de hierro en estado disuelto ", explica Keller. Bajo circunstancias normales, el hierro no es soluble en agua en su forma oxidada, es decir, óxido. Hace unos cuatro mil millones de años hubo, sin embargo, casi nada de oxígeno puro en la atmósfera o en el océano que hubiera contribuido a la oxidación del hierro. Por lo tanto, existían grandes cantidades de hierro (II), o hierro ferroso, que se disuelve fácilmente en agua. "Simulamos las condiciones que prevalecen en el océano Arcaico y observamos cómo, por ejemplo, fructosa-6-fosfato, un producto intermedio del metabolismo celular, reaccionaría en este entorno. Una de las cosas que encontramos fue que se convierte en glucosa-6-fosfato, precisamente la misma secuencia de reacciones y vías de reacción que en la célula viva. En las primeras publicaciones mostramos que esto ocurre de una manera sorprendentemente eficiente con muy pocas reacciones secundarias. Da como resultado exactamente las moléculas correctas ".
Primero los procesos metabólicos, enzimas siguientes
Por esta razón, el océano Arcaico era un entorno absolutamente ideal para estas reacciones metabólicas muy antiguas. Y aquí radica la solución a este problema particular del huevo o la gallina:las vías metabólicas químicas estaban allí primero, y las enzimas se desarrollaron más tarde. Keller solo pudo demostrar recientemente una situación similar para el "ciclo del ácido cítrico" (CAC), otra parte importante del metabolismo celular. Sus reacciones individuales también pueden producirse en ausencia de enzimas. Análogo a las células modernas, donde la glucólisis y el CAC, que se encuentra en la mitocondria celular, correr por separado en diferentes medios, sus homólogos no enzimáticos también necesitan diferentes medios químicos para funcionar con eficacia. De este modo, el investigador demostró que las observaciones realizadas en relación con la glucólisis también se aplicaban a otras vías metabólicas importantes.
Los nuevos métodos desencadenan ideas
Keller pudo hacer estas observaciones utilizando métodos de espectrometría de masas que desarrolló durante su beca Schrödinger en la Universidad de Cambridge. La espectrometría de masas es un método de medición extremadamente sensible que implica la descomposición de sustancias en sus moléculas o átomos individuales para determinar su masa. Keller examinó originalmente cómo se podían analizar los componentes de las células de levadura mediante espectrometría de masas, ya que no solo era muy preciso, sino que también prometía ventajas adicionales sobre otros métodos. La levadura es uno de los organismos modelo más importantes de la biología, y el trabajo de Keller fue investigación básica con el objetivo de desarrollar metodología para otros tipos de investigación. Desarrolló la idea de analizar el origen evolutivo del metabolismo celular junto con el microbiólogo Markus Ralser, jefe del grupo de investigación de Cambridge del que Keller era miembro. También le preguntaron a Alexandra Turchyn, un experto en océanos arcaicos, unirse a ellos y publicó el primer artículo sobre este tema.
Observaciones importantes al margen
"En realidad, nunca planeé que mi investigación fuera en esta dirección", dice Keller. "El estudio inicial realizado sobre el metabolismo de las levaduras ahora también está a la espera de su publicación. Pero era importante que tuviera la libertad de investigar estas cosas. Al principio, era sólo una cuestión secundaria". Keller enfatiza que algunos de estos efectos probablemente se hayan medido en otros estudios como efectos secundarios, pero no se informaron en detalle. "Estas reacciones todavía ocurren en las células hoy", observa Keller. Anima a los grupos activos en este campo a que examinen más de cerca lo que pueden malinterpretar como errores de medición.
