¿Cómo empezó la vida? ¿Cómo las reacciones químicas en la Tierra primitiva crearon estructuras complejas y autorreplicantes que se convirtieron en seres vivos tal como los conocemos?
Según una escuela de pensamiento, antes de la era actual de vida basada en el ADN, existía un tipo de molécula llamada ARN (o ácido ribonucleico).
El ARN, que sigue siendo un componente crucial de la vida actual, puede replicarse y catalizar otras reacciones químicas.
Pero las propias moléculas de ARN están formadas por componentes más pequeños llamados ribonucleótidos. ¿Cómo se habrían formado estos componentes básicos en la Tierra primitiva y luego se habrían combinado en ARN?
Los químicos como yo estamos intentando recrear la cadena de reacciones necesarias para formar el ARN en los albores de la vida, pero es una tarea desafiante. Sabemos que cualquier reacción química que creó los ribonucleótidos debe haber podido ocurrir en el ambiente complicado y desordenado que se encuentra en nuestro planeta hace miles de millones de años.
He estado estudiando si las reacciones "autocatalíticas" pueden haber influido en ello. Estas son reacciones que producen sustancias químicas que estimulan que se repita la misma reacción, lo que significa que pueden mantenerse en una amplia gama de circunstancias.
En nuestro último trabajo publicado en Chemical Science , mis colegas y yo hemos integrado la autocatálisis en una ruta química bien conocida para producir los componentes básicos de los ribonucleótidos, lo que podría haber ocurrido plausiblemente con las moléculas simples y las condiciones complejas que se encontraron en la Tierra primitiva.
Las reacciones autocatalíticas desempeñan funciones cruciales en la biología, desde la regulación de los latidos del corazón hasta la formación de patrones en las conchas marinas. De hecho, la replicación de la vida misma, donde una célula toma nutrientes y energía del medio ambiente para producir dos células, es un ejemplo particularmente complicado de autocatálisis.
Una reacción química llamada reacción de formosa, descubierta por primera vez en 1861, es uno de los mejores ejemplos de una reacción autocatalítica que podría haber ocurrido en la Tierra primitiva.
En esencia, la reacción de la formosa comienza con una molécula de un compuesto simple llamado glicolaldehído (hecho de hidrógeno, carbono y oxígeno) y termina con dos. El mecanismo se basa en un suministro constante de otro compuesto simple llamado formaldehído.
Una reacción entre glicolaldehído y formaldehído produce una molécula más grande, separando fragmentos que retroalimentan la reacción y la mantienen en marcha. Sin embargo, una vez que se acaba el formaldehído, la reacción se detiene y los productos comienzan a degradarse de moléculas de azúcar complejas a alquitrán.
La reacción de la formosa comparte algunos ingredientes comunes con una vía química bien conocida para producir ribonucleótidos, conocida como vía de Powner-Sutherland. Sin embargo, hasta ahora nadie ha intentado conectar los dos, y con razón.
La reacción formal es conocida por ser "no selectiva". Esto significa que produce muchas moléculas inútiles junto con los productos reales que deseas.
En nuestro estudio, intentamos agregar otra molécula simple llamada cianamida a la reacción de formosa. Esto hace posible que algunas de las moléculas formadas durante la reacción sean "desviadas" para producir ribonucleótidos.
La reacción aún no produce una gran cantidad de componentes básicos de ribonucleótidos. Sin embargo, los que produce son más estables y es menos probable que se degraden.
Lo interesante de nuestro estudio es la integración de la reacción de formosa y la producción de ribonucleótidos. Investigaciones anteriores han estudiado cada uno por separado, lo que refleja cómo los químicos suelen pensar acerca de la creación de moléculas.
En términos generales, los químicos tienden a evitar la complejidad para maximizar la cantidad y pureza de un producto. Sin embargo, este enfoque reduccionista puede impedirnos investigar las interacciones dinámicas entre diferentes vías químicas.
Estas interacciones, que ocurren en todas partes del mundo real fuera del laboratorio, son posiblemente el puente entre la química y la biología.
La autocatálisis también tiene aplicaciones industriales. Cuando se añade cianamida a la reacción de formosa, otro de los productos es un compuesto llamado 2-aminooxazol, que se utiliza en la investigación química y en la producción de muchos productos farmacéuticos.
La producción convencional de 2-aminooxazol suele utilizar cianamida y glicolaldehído, este último de los cuales es caro. Si se puede producir mediante la reacción de formosa, solo se necesitará una pequeña cantidad de glicolaldehído para iniciar la reacción, lo que reducirá costos.
Actualmente, nuestro laboratorio está optimizando este procedimiento con la esperanza de poder manipular la reacción autocatalítica para hacer que las reacciones químicas comunes sean más baratas y eficientes, y que sus productos farmacéuticos sean más accesibles. Quizás no sea tan importante como la creación de vida misma, pero creemos que aún así podría valer la pena.
Más información: Quoc Phuong Tran et al, Hacia una quimiotona prebiótica:síntesis de precursores de nucleótidos impulsada por la reacción autocatalítica de la formosa, Ciencia química (2023). DOI:10.1039/D3SC03185C
Información de la revista: Ciencias químicas
Proporcionado por The Conversation
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
