Los investigadores sometieron sus sopas químicas a una forma de selección tomando una pequeña cantidad de material de un vial y colocándolo en un nuevo vial con pirita fresca y productos químicos. Después de varias generaciones, encontraron evidencia de redes químicas, representado en amarillo, extendiéndose lo suficientemente rápido para evitar la dilución. Crédito:Laboratorio David Baum
Los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han cultivado reacciones químicas realistas mientras son pioneros en una nueva estrategia para estudiar el origen de la vida.
El trabajo está lejos de impulsar la vida en el laboratorio. Todavía, muestra que las técnicas de laboratorio simples pueden estimular el tipo de reacciones que probablemente sean necesarias para explicar cómo comenzó la vida en la Tierra hace unos cuatro mil millones de años.
Los investigadores sometieron una rica sopa de productos químicos orgánicos a una selección repetida al reducir constantemente la población química y dejar que se acumule nuevamente con la adición de nuevos recursos. Durante generaciones de selección, el sistema parecía consumir sus materias primas, evidencia de que la selección puede haber inducido la expansión de redes químicas capaces de propagarse por sí mismas.
En escalas de tiempo más largas, estos cambios químicos oscilaron en un patrón repetitivo. Este ciclo de auge y caída aún no se ha explicado completamente, pero es una buena evidencia de que las sopas químicas establecieron circuitos de retroalimentación que se asemejan a los que se encuentran en los organismos vivos. David Baum, un profesor de botánica de la UW-Madison, y su equipo publicaron sus hallazgos el 23 de octubre 2019, en el diario Vida . El trabajo fue financiado por la National Science Foundation y la NASA.
Ahora, otros investigadores pueden utilizar este enfoque experimental y ayudar a desenredar qué componentes son necesarios para fomentar sistemas químicos reales y si esas redes químicas pueden evolucionar para desarrollar rasgos más complejos.
Si este sistema puede generar una mayor complejidad, podría ayudar a resolver el enigma de cómo los productos químicos simples eventualmente dieron lugar a algo tan intrincado como el antepasado celular que generó toda la vida en la actualidad.
Cuando los investigadores ampliaron su experimento a 40 generaciones, detectaron oscilaciones repetidas en la concentración de fosfato, uno de los materiales de partida clave en sus sopas químicas. Estas oscilaciones sugieren el desarrollo de bucles de retroalimentación, que son una característica de la vida. Crédito:Laboratorio David Baum
"Una pregunta fundamental en el origen de la vida es:¿cómo se obtiene la evolución antes de que existiera información genética como esa en el ADN o el ARN?" dice Baum. "De lo que nos hemos dado cuenta ahora es que la evolución de las redes químicas puede resolver ese problema, y eso es algo que podemos abordar en el laboratorio ".
Para probar la idea de la evolución del ecosistema químico, los investigadores reunieron una rica sopa de productos químicos. En agua de mar disolvieron aminoácidos, azúcares compuestos orgánicos comunes, oligoelementos y los componentes básicos de los ácidos nucleicos. Para darle al sistema una ventaja aún mayor, los científicos agregaron ATP a la rica agua de mar, una molécula de alta energía que impulsa casi todas las reacciones de la vida en la actualidad, pero que era poco probable que existiera en tiempos primordiales.
"No todos estos productos químicos podrían haber estado disponibles en la Tierra primitiva, pero estamos tratando de acelerar un proceso que, en teoría, podría comenzar a partir de bloques de construcción aún más simples, "dice Baum, quien también es un compañero de descubrimiento en el Instituto de Descubrimiento de Wisconsin.
El equipo mezcló su sopa primordial con finos granos de pirita, un mineral de hierro y azufre también conocido como oro de los tontos. Sobre la base de la propuesta de evolución química de 1988 del químico alemán Günter Wächtershäuser, El equipo de Baum cree que la pirita es un material ideal para cultivar una química realista.
"La pirita era un mineral común en la Tierra primordial, puede unirse a muchos compuestos orgánicos, y puede catalizar reacciones entre ellos, "dice Lena Vincent, estudiante de posgrado en el laboratorio de Baum y autor principal del estudio. "Y, muy elegantemente, Muchas enzimas altamente conservadas a lo largo de la vida tienen núcleos muy similares a la pirita. Básicamente son pirita envuelta en proteína ".
Los investigadores agregaron unas gotas de la sopa de agua de mar enriquecida a una pequeña cantidad de pirita triturada en un vial y mezclaron la solución durante unos días. Esta fue la primera generación. Para comenzar la próxima generación, Vincent tomó una pequeña cantidad de la primera solución y la mezcló en un frasco con sopa fresca y pirita. Más de una docena o más de generaciones, solo aquellas redes químicas que pudieran propagarse más rápido de lo que se diluyeron sobrevivirían y se propagarían.
Con un aumento ultra alto, los investigadores encontraron formas fractales distintivas que se extendían a lo largo de los granos de pirita después de que sus sopas químicas pasaran por varias generaciones. Los investigadores creen que estos fractales son depósitos salados inducidos a formarse por una fina capa de material orgánico esparcido a lo largo del mineral. Crédito:el laboratorio de David Baum
Después de 12 o 18 generaciones, los investigadores vieron una caída en el fosfato disponible (una lectura del uso de ATP) y en el material orgánico disuelto, lo que sugirió que los compuestos químicos podrían adherirse y esparcirse a lo largo de los granos de pirita.
Cuando inspeccionaron la pirita con un aumento ultra alto, los investigadores vieron una abundancia de formas fractales que se extendían a lo largo de la superficie del mineral en las muestras experimentales, pero no en las muestras de control que carecían de un historial de selección.
Si bien estas formas fractales parecen ser sales y no es probable que sean realistas en sí mismas, los investigadores sospechan que pueden ser inducidos por una fina mancha de compuestos orgánicos unidos a los granos. Los fractales nunca aparecieron cuando se dejó fuera de la solución material orgánico.
"Los científicos han estado buscando ejemplos de reacciones que complejasen y organicen espontáneamente los químicos orgánicos durante mucho tiempo, "dice Jim Cleaves, coautor del trabajo del Earth-Life Science Institute (ELSI) del Instituto de Tecnología de Tokio en Japón. "Basado en este trabajo, y otros experimentos que hemos estado realizando en ELSI, parece posible que tales reacciones no sean increíblemente raras en absoluto, puede ser simplemente una cuestión de utilizar las herramientas adecuadas para encontrarlos ".
Cuando los investigadores llevaron a cabo el experimento durante 40 generaciones, observaron períodos de cambio gradual intercalados por cambios repentinos de las condiciones iniciales. Si bien se desconoce la causa de estos accidentes, Este tipo de bucle de retroalimentación no lineal se encuentra a lo largo de la vida y es evidencia de que el sistema experimental indujo comportamientos complejos en la sopa química.
"Esta no linealidad es un requisito previo para todos los comportamientos realistas interesantes que estamos buscando, incluida la autopropagación y la evolución, "dice Vincent. Cautelosamente emocionado con su éxito preliminar, Baum y su equipo ahora están ansiosos por reclutar a otros para ayudarlos a refinar su sistema.
"Queríamos desarrollar un sistema que podamos investigar más a fondo para abordar cuestiones sobre la capacidad de evolución. Y es de esperar que otros laboratorios utilicen este protocolo y lo mejoren, ", dice Baum." Aquí es exactamente donde queríamos estar ".
