El origen de la vida en la Tierra ha sido durante mucho tiempo un misterio que ha eludido a los científicos. Una pregunta clave es qué parte de la historia de la vida en la Tierra se pierde en el tiempo. Es bastante común que una sola especie "desaparezca" mediante una reacción bioquímica, y si esto sucede en suficientes especies, dichas reacciones podrían efectivamente ser "olvidadas" por la vida en la Tierra.
Pero si la historia de la bioquímica está plagada de reacciones olvidadas, ¿habría alguna forma de saberlo? Esta pregunta inspiró a investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) del Instituto de Tecnología de Tokio y del Instituto de Tecnología de California (CalTech) en Estados Unidos. Razonaron que la química olvidada aparecería como discontinuidades o "rupturas" en el camino que sigue la química desde moléculas geoquímicas simples hasta moléculas biológicas complejas.
La Tierra primitiva era rica en compuestos simples como el sulfuro de hidrógeno, el amoníaco y el dióxido de carbono, moléculas que normalmente no se asocian con el sustento de la vida. Pero hace miles de millones de años, la vida temprana dependía de estas moléculas simples como fuente de materia prima. A medida que la vida evolucionó, los procesos bioquímicos transformaron gradualmente estos precursores en compuestos que todavía se encuentran en la actualidad. Estos procesos representan las primeras vías metabólicas.
Para modelar la historia de la bioquímica, los investigadores de ELSI (el profesor asociado especialmente designado Harrison B. Smith, el profesor asociado especialmente designado Liam M. Longo y el profesor asociado Shawn Erin McGlynn, en colaboración con el investigador científico Joshua Goldford de CalTech) necesitaban un inventario de todas las reacciones bioquímicas conocidas, para comprender qué tipos de química es capaz de realizar la vida.
Recurrieron a la base de datos de la Enciclopedia de genes y genomas de Kyoto, que ha catalogado más de 12.000 reacciones bioquímicas. Con las reacciones en la mano, comenzaron a modelar el desarrollo gradual del metabolismo.
Los intentos anteriores de modelar la evolución del metabolismo de esta manera habían fracasado consistentemente en producir las moléculas complejas más extendidas utilizadas por la vida contemporánea. Sin embargo, el motivo no estaba del todo claro. Al igual que antes, cuando los investigadores ejecutaron su modelo, descubrieron que sólo se podían producir unos pocos compuestos. La investigación se publica en la revista Nature Ecology &Evolution. .
Una forma de evitar este problema es aliviar la química estancada proporcionando manualmente compuestos modernos. Los investigadores optaron por un enfoque diferente:querían determinar cuántas reacciones faltaban. Y su búsqueda los llevó de nuevo a una de las moléculas más importantes de toda la bioquímica:el trifosfato de adenosina (ATP).
El ATP es la moneda energética de la célula porque puede usarse para impulsar reacciones (como la construcción de proteínas) que de otro modo no ocurrirían en el agua. El ATP, sin embargo, tiene una propiedad única:las reacciones que forman ATP requieren ATP. En otras palabras, a menos que el ATP ya esté presente, no hay otra forma en la vida actual de producir ATP. Esta dependencia cíclica fue la razón por la que el modelo se detuvo.
¿Cómo podría resolverse este "cuello de botella del ATP"? Resulta que la porción reactiva del ATP es notablemente similar al compuesto inorgánico polifosfato. Al permitir que las reacciones generadoras de ATP utilicen polifosfato en lugar de ATP (modificando sólo ocho reacciones en total) se podría lograr casi todo el metabolismo central contemporáneo. Luego, los investigadores podrían estimar las edades relativas de todos los metabolitos comunes y hacer preguntas específicas sobre la historia de las vías metabólicas.
Una de esas preguntas es si las vías biológicas se construyeron de manera lineal (en la que se agrega una reacción tras otra de manera secuencial) o si las reacciones de las vías surgieron como un mosaico, en el que reacciones de edades muy diferentes se unen para formar formar algo nuevo. Los investigadores pudieron cuantificar esto y descubrieron que ambos tipos de vías son casi igualmente comunes en todo el metabolismo.
Pero volviendo a la pregunta que inspiró el estudio:¿cuánta bioquímica se pierde con el tiempo? "Quizás nunca lo sepamos exactamente, pero nuestra investigación arrojó una evidencia importante:sólo se necesitan ocho reacciones nuevas, todas ellas parecidas a reacciones bioquímicas comunes, para unir la geoquímica y la bioquímica", dice Smith.
"Esto no prueba que el espacio que falta en la bioquímica sea pequeño, pero sí muestra que incluso reacciones que se han extinguido pueden redescubrirse a partir de pistas dejadas por la bioquímica moderna", concluye Smith.
Más información: Joshua E. Goldford et al, La biosíntesis primitiva de purinas conecta la geoquímica antigua con el metabolismo moderno, Nature Ecology &Evolution (2024). DOI:10.1038/s41559-024-02361-4
Información de la revista: Naturaleza, ecología y evolución
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
