Toda la vida moderna usa energía para reproducirse. Durante este proceso, Los organismos construyen y descomponen moléculas más grandes, como grasas y azúcares, utilizando un conjunto notablemente común de moléculas portadoras de energía intermedia reactiva. Estos portadores de energía intermedios (por ejemplo, ATP) a menudo no son bloques de construcción en sí mismos, pero permiten el acoplamiento de energía entre reacciones separadas necesarias para impulsar la reproducción celular.

Una clase de estos compuestos son los tioésteres, compuestos químicos que contienen un enlace carbono-azufre de alta energía. Los investigadores han especulado durante algún tiempo que los tioésteres podrían estar entre las versiones más antiguas de tales intermediarios reactivos metabólicos, en parte porque los organismos modernos todavía usan tioésteres para descomponer los azúcares y producir proteínas a partir de aminoácidos. ¿Cómo se podrían haber desarrollado compuestos intermedios reactivos como los tioésteres antes de que evolucionara la vida? o cuando la vida temprana estaba dando sus primeros pasos de bebé, permanece envuelto en misterio.

Un nuevo trabajo de investigadores del Earth-Life Science Institute (ELSI) del Instituto de Tecnología de Tokio muestra que un compuesto simple que se encuentra en algunos gases volcánicos modernos, un tioácido (un compuesto formado a partir de un ácido orgánico y sulfuro de hidrógeno), reacciona fácilmente con compuestos de tiol simples que contienen azufre similares a los fundamentales para el metabolismo moderno para formar tioésteres reactivos similares a los que se encuentran en la biología moderna. Esta reacción ocurre fácilmente en agua y puede haber servido como punto de partida para la evolución de una bioquímica más compleja. Durante la investigación, los investigadores encontraron que cuando incluían hierro en sus reacciones (que es muy abundante en la Tierra), los rendimientos del producto de reacción aumentaron.

El equipo sugiere que esto puede significar un acoplamiento de energía entre múltiples reacciones, en el que una reacción impulsa a otra hacia adelante, puede tener su origen en la química ambiental no viviente. Notablemente, También encontraron que un subproducto de la reacción se puede usar para hacer un segundo tipo de compuesto de acoplamiento de energía versátil requerido por todos los seres vivos:los racimos de FeS (abreviatura de hierro-azufre). Estos son pequeños agregados de solo unos pocos átomos cada uno de hierro y azufre, que ayudan a los organismos a metabolizar a medida que mueven electrones de una molécula a otra. Un ejemplo importante de una vía de uso de clústeres de FeS es la fotosíntesis, que transfiere electrones del agua al CO ₂ para producir azúcares y oxígeno. Por lo tanto, este trabajo proporciona una nueva comprensión de cómo las moléculas de alta energía y las reacciones de transferencia de electrones pueden haberse producido naturalmente a medida que evolucionaba el metabolismo temprano.

Aunque los científicos llevan algún tiempo intentando comprender los orígenes de los componentes básicos de la vida, Se ha hecho poco esfuerzo para comprender cómo se originó la transferencia de energía en la química prebiótica. Comprender este intercambio de energía podría ser tan importante como comprender el origen de los componentes básicos, por lo que el equipo de ELSI decidió buscar reacciones que pudieran acoplarse enérgicamente.

El autor principal, Sebastian Sanden, dice:"Ya estábamos estudiando los minerales FeS, y supimos lo fácil que era su formación, así que queríamos ver si podíamos acoplar este exceso de energía desperdiciada a otra reacción ". El tioácido que estudiaron inicialmente contiene azufre, que sabían que solo tenían que reaccionar con hierro para hacer los grupos de FeS que ya estaban estudiando.

Los experimentos y análisis que realizaron los investigadores de ELSI debían realizarse en rápida sucesión para seguir el progreso de la reacción. Desarrollaron técnicas para hacer esto, y así pudieron determinar qué tan rápido ocurrieron estas reacciones. Sus experimentos preliminares de fabricación de tioéster no procedieron tan rápido como esperaban inicialmente, pero agregando un catalizador y aumentando la temperatura, encontraron que los rendimientos máximos de tioéster se obtuvieron en menos de una hora, a diferencia de unos días antes de realizar estos cambios.

El equipo cree que es especialmente fascinante que este tipo de reacciones puedan crear "reacciones en cascada, "que producen moléculas cada vez más complejas:el piruvato se descompone, ayudando a formar un tioéster, que luego permite que los péptidos (primos más pequeños de las proteínas) se formen a través de la ruta del tioéster recién descubierta. El equipo espera probar esto experimentalmente a continuación y crear un sistema que pueda aumentar la cantidad de componentes que contiene por sí mismo. tal vez hasta la autorreproducción.

De hecho, algunos microbios modernos utilizan la descomposición de piruvato y la formación de tioéster asistida por grupos de FeS en su metabolismo, y es posible que las reacciones que descubrió el equipo recapitulan cómo las descubrió la evolución prebiológica o biológica temprana. Investigador principal, Profesor asociado de ELSI Shawn McGlynn, dice, "Este trabajo proporciona nuevas conexiones entre múltiples componentes de reacciones prebióticas que pueden haber sido fundamentales para establecer el metabolismo energético temprano en la Tierra".

Si bien este trabajo puede arrojar nueva luz sobre cómo las reacciones de intercambio de energía que ocurren naturalmente pueden haber ayudado a reactivar el metabolismo, también puede ser importante para el campo de la química verde, que se ocupa de encontrar los métodos más eficaces energéticamente y respetuosos con el medio ambiente para fabricar compuestos químicos. Mientras que los metales pesados ​​tóxicos como el cadmio y el mercurio y los disolventes como el cloroformo se utilizan a menudo en la química orgánica industrial, las reacciones descubiertas por este grupo de investigación son muy eficientes y funcionan en agua utilizando como catalizador hierro no tóxico.