Las pentosas son carbohidratos esenciales en el metabolismo de las formas de vida modernas, pero su disponibilidad durante la Tierra primitiva no está clara ya que estas moléculas son inestables.
Un nuevo estudio, publicado en la revista JACS Au y liderado por el Earth-Life Science Institute (ELSI) del Instituto de Tecnología de Tokio, Japón, revela una vía química compatible con las condiciones primitivas de la Tierra y por la cual los aldonatos de C6 podrían haber actuado como fuente de pentosas sin necesidad de enzimas. Sus hallazgos proporcionan pistas sobre la bioquímica primitiva y nos acercan a la comprensión de los orígenes de la vida.
El surgimiento de vida en la Tierra a partir de sustancias químicas simples es uno de los temas más apasionantes pero desafiantes de la bioquímica y quizás de toda la ciencia. Las formas de vida modernas pueden transformar nutrientes en todo tipo de compuestos a través de complejas redes químicas; es más, pueden catalizar transformaciones muy específicas utilizando enzimas, consiguiendo un control muy fino sobre qué moléculas se producen.
Sin embargo, las enzimas no existían antes de que surgiera la vida y se volviera más sofisticada. Por lo tanto, es probable que existieran varias redes químicas no enzimáticas en un momento anterior de la historia de la Tierra, que podrían convertir los nutrientes ambientales en compuestos que sustentaran funciones primitivas similares a las de las células.
La síntesis de pentosas es un ejemplo destacado del escenario anterior. Estos azúcares simples, que contienen sólo cinco átomos de carbono, son los componentes fundamentales del ARN y otras moléculas que son esenciales para la vida tal como la conocemos. Los científicos han propuesto y estudiado varias formas en que las pentosas podrían haberse generado antes del origen de la vida, pero las teorías actuales plantean la pregunta:¿cómo podrían las pentosas acumularse en cantidades suficientes para participar en reacciones previas a la vida si estos compuestos tienen una vida extremadamente corta?
Para abordar esta cuestión, un equipo de investigación dirigido por el investigador científico Ruiqin Yi de ELSI llevó a cabo un estudio para encontrar una explicación alternativa para el origen y el suministro sostenido de pentosas en la Tierra primitiva. Exploraron una red química libre de enzimas en la que los aldonatos C6, que son carbohidratos estables de seis carbonos, se acumulan a partir de varias fuentes de azúcar prebióticas y luego se convierten nuevamente en pentosas.
La vía química propuesta comienza con el gluconato, un aldonato C6 estable que puede haber estado disponible en la Tierra primitiva a través de transformaciones prebióticas conocidas de azúcares básicos. El siguiente paso es la oxidación no selectiva del aldonato C6 en uronato; aquí, el término "no selectivo" significa que el proceso de oxidación no discrimina entre los distintos átomos de carbono en la estructura del aldonato, lo que deja cinco posibles resultados de oxidación.
A través de experimentos y análisis teóricos, los investigadores profundizaron en los diversos productos de oxidación para descubrir los detalles de la red de reacción.
Curiosamente, descubrieron que no importa dónde se produzca la oxidación, los compuestos de uronato resultantes siempre pueden sufrir una transformación intramolecular conocida como "migración de carbonilo" hasta que se forma el compuesto específico 3-oxouronato. Una vez que se alcanza este estado, el 3-oxouronato se transforma fácilmente en pentosa mediante β-descarboxilación en presencia de H2 O2 y un catalizador ferroso, ambos compatibles con las condiciones de la Tierra primitiva.
Después de establecer y probar la totalidad de esta compleja red de reacción, los investigadores notaron un parecido importante con una vía bioquímica moderna.
"Demostramos una vía sintética no enzimática para los azúcares de cinco carbonos que se basa en transformaciones químicas que recuerdan a los primeros pasos de la vía de las pentosas fosfato, una vía central del metabolismo", dice el autor principal Ruiqin Yi.
"Estos resultados demuestran que la síntesis de azúcares prebióticos puede superponerse con las vías bioquímicas existentes". Dado que los azúcares son omnipresentes en el metabolismo moderno, la red de reacción propuesta podría haber sido importante para el surgimiento de los primeros sistemas realistas.
Los hallazgos de este estudio son importantes en el contexto de la astroquímica y la astrobiología. Se encontraron abundantes aldonatos en el meteorito Murchison, un famoso meteorito carbonoso que cayó a la Tierra en 1969.
Por el contrario, los carbohidratos canónicos que se encuentran en los sistemas biológicos modernos estaban ausentes en él. Esto implica que los aldonatos pueden formarse y acumularse en condiciones extraterrestres, y el presente estudio sugiere que podrían desempeñar un papel importante en el origen de los componentes básicos de la vida. "Esperamos que este trabajo dé forma a la próxima ola de astrobiología para centrarse en los estudios de aldonatos", añade Yi.
En estudios futuros, el equipo de investigación se centrará en si los aldonatos C6 podrían haberse acumulado en cantidades suficientes en la Tierra primitiva para actuar como "nutrientes" para el surgimiento del protometabolismo. El investigador principal, Ruiqin Yi, concluye:"Queremos comprender mejor cómo se pueden generar estos aldonatos a partir de reacciones clásicas de azúcares prebióticos, como la reacción de formosa y la homologación de Kiliani-Fischer".
En particular, estas reacciones prebióticas clásicas de los azúcares no se encuentran en el metabolismo moderno y, por lo tanto, la vía no enzimática propuesta podría actuar como un puente muy necesario entre los primeros azúcares y los carbohidratos utilizados teóricamente por las primeras formas de vida.
Más información: Ruiqin Yi et al, La migración de carbonilo en uronatos ofrece una vía prebiótica potencial para la producción de pentosas, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00299
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
