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Investigando el origen de la vida, desde la sopa primordial hasta las redes metabólicas.

Un físico, un químico y un matemático quedan abandonados en una isla desierta, donde una lata de comida llega hasta la playa. Los tres hambrientos científicos proponen, por turno, cómo abrir la lata y satisfacer su hambre. El físico sugiere lanzar la lata contra las rocas, para que se rompa, pero falla. El químico propone volverla al agua y dejar que la sal marina corroa el metal, pero tampoco tiene suerte. Entonces, en su desesperación se vuelven hacia el matemático, que comienza: “Asumiendo que tenemos un abrelatas...”

Cuando se discute la evolución de la vida, a menudo los biólogos suenan un poco como el matemático. Comenzando con una célula única, la evolución darwiniana proporciona un algoritmo simple, robusto y poderoso para derivar toda la asombrosa riqueza de la vida, desde las bacterias hasta el cerebro.

La selección natural y otras fuerzas evolutivas, actuando sobre poblaciones excedentes de células replicantes y organismos multicelulares, llevan inevitablemente a la evolución y a la adaptación. Démosle a los biólogos una célula, y ellos nos darán un mundo. Pero más allá de asumir que la primera célula debe, de alguna manera, haber llegado a existir, ¿cómo explican los biólogos su surgimiento a partir del mundo prebiótico, hace cuatro mil millones de años?

En pocas palabras, todavía no pueden. Pero esta cuestión puede estar un poco más cerca de ser contestada, a medida que dinero fresco entra en el campo, y porque dos nuevos descubrimientos proporcionan sustento a dos modelos competitivos de evolución prebiótica.

Si bien el pasado medio siglo ha visto una explosión de conocimiento sobre la evolución de la vida después de su aparición, ha habido relativamente poco progreso en lo referente a cómo comenzó: la así llamada cuestión del origen.

En parte, el problema es financiero. El dinero para investigación ha inundado muchas otras áreas de la biología, pero sigue faltando para ésta. “La financiación es una parte grande del asunto”, dice Jack Szostak, un investigador de Howard Hugues y profesor de genética en la Escuela de Medicina de Harvard. Como resultado, faltan investigadores deseosos de dedicar de lleno sus carreras profesionales a averiguar cómo comenzó la vida. “Es un campo riesgoso para aventurarse en él. Los problemas son difíciles. Se puede entrenar estudiantes, pero es posible que no haya empleos esperándolos después”. A esos efectos, la Universidad de Harvard anunció recientemente un plan para financiar la investigación sobre el origen de la vida, a un ritmo de un millón de dólares por año, ante lo cual Szostak opina que es un buen comienzo.

Pero encontrar la respuesta a la cuestión del origen requerirá no solamente dinero sino también progresos en la comprensión de cómo las moléculas biológicas más básicas se conformaron antes de que comenzara la vida, cómo se volvieron organizadas y auto-sustentables, y cómo llegaron a convertirse en las células cubiertas por una membrana que fueron nuestros ancestros.

Los científicos han recorrido un largo camino desde los primeros días en que se suponía que todo esto surgiría inevitablemente en la “sopa prebiótica” de los antiguos océanos. De hecho, finalmente la evidencia contradijo la tal sopa, y el concepto fue casi totalmente descartado a medida que el campo progresaba.

Pero persisten problemas significativos con cada uno de los dos modelos en competencia que han surgido (conocidos comúnmente como “genes primero” y “metabolismo primero”), y ninguno de ellos ha emergido como un robusto y obvio favorito. Ahora, dos artículos publicados a mediados de 2005 ofrecen algo de empuje a cada uno de los campos.

El origen de los experimentos sobre el origen de la vida

El experimento de Miller

Hace unos 50 años Stanley Miller, entonces un estudiante graduado en la Universidad de Chicago y ahora en el Departamento de Química de la Universidad de California en San Diego, hizo que el campo de la investigación sobre los orígenes comenzara con un estallido, literalmente. Hizo pasar chispas eléctricas de alto voltaje (un sustituto de los relámpagos) a través de una mezcla gaseosa de agua, metano, hidrógeno y amoníaco, que se pensaba habían sido los constituyentes principales de la atmósfera antigua.

El líquido en el matraz de reacción se convirtió finalmente en una mezcla tipo consomé de aminoácidos y otras moléculas orgánicas pequeñas. Los resultados de Miller predecían que, con el transcurrir del tiempo, los océanos primitivos se habrían convertido en una rica sopa prebiótica, repleta de aminoácidos, ácidos nucleicos, y azúcares. Sus resultados implicaban que era solamente una cuestión de tiempo antes de que esos bloques constitutivos se combinaran para formar polímeros complejos y, en última instancia, en una célula replicante.

“El experimento inicial de Miller fue como un terremoto”, dice Harold Morowitz, profesor de biología en la Universidad George Mason y por largo tiempo teórico e investigador en el área. La sugerencia de que la química aleatoria pudiera producir las moléculas de la vida “inmovilizó al campo por un largo período”. Pero más tarde aparecieron cálculos que demostraban que la atmósfera primitiva contenía mucho más dióxido de carbono y mucho menos hidrógeno que lo requerido por el modelo de Miller, y la corrección de estas concentraciones arrojaba dudas sobre la probabilidad de que las moléculas complejas se pudieran forman en abundancia.

¿De dónde, entonces, pudieron haber llegado estos precursores orgánicos? Hay alguna evidencia, si bien escasa, de su arribo a bordo de cometas que colisionaron con la Tierra, pero hay muy poco entusiasmo en considerarlo una solución. Finalmente, no hay evidencia geológica, ya sean en sedimentos o en rocas metamórficas, de que esa sopa haya siquiera existido.

Un mundo ARN necesita nucleótidos

A principios de la década de 1980, justo cuando la química tipo Miller estaba perdiendo apoyo, el ARN emergió como la estrella ascendente de la investigación sobre el origen de la vida, basado en un descubrimiento sorprendente.

Hasta ese momento, la evolución parecía sufrir de un severo problema de “huevo y gallina”: el ADN sustentador de información codificaba las proteínas, pero las proteínas catalíticas son esenciales para la conformación del ADN. Que ambas cosas pudieran haber surgido independientemente pero que a la vez trabajaran concertadamente, parecía algo altamente improbable.

Pero el ARN, que era bien conocido en su papel de transportador temporal de información, resultó ser también catalítico. De hecho, una cantidad de funciones de las células modernas que alguna vez se pensó eran provincia de las proteínas, son en realidad supervisadas por el ARN catalítico. Hay apenas un pequeño salto intelectual desde aquí hasta un “mundo ARN”, en el cual el ARN, y no el ADN, es la molécula de la herencia, y el ARN, no la proteína, es el motor catalítico de la célula.

En los comienzos, según el campo de “genes primero”, hubo una única molécula de ARN, a la vez código y catalizador. Esta “replicasa” habría catalizado su propia replicación, y también habría proporcionado la plantilla sobre la cual se confeccionó la copia.

Los trabajos de Jack Szostak de la Universidad de Harvard han dado apoyo a este elegante modelo. Él ha demostrado que ciertos ARN catalizadores pueden, realmente, unir secuencias más pequeñas de ARN, indicando su potencial para la auto-replicación.

Dadas las condiciones iniciales correctas, un ARN auto-replicante de este tipo podría incrementar su número a expensas de otros “sin vida” que lo rodearan. Rondas sucesivas de copiado, con mutaciones menores, podrían llevar a que el replicador original adquiriera nuevas habilidades. La vida, especula Szostak, "comienza simplemente, con un gen, probablemente una replicasa, e incorpora funciones adicionales con el tiempo”.

Es un concepto altamente atractivo, y ha impulsado un montón de buena investigación. ¿Pero cómo habría surgido la replicasa original? James Ferris, profesor de química del Instituto Politécnico Rensselaer, ha descubierto que sobre una superficie de montmorillonita, una arcilla común, los nucleótidos activados de ARN (los bloques monoméricos constituyentes del polímero ARN) se unen espontáneamente para formar cadenas más largas.

Si bien las secuencias de estos productos son completamente aleatorias, Szostak ha demostrado que dentro de un grupo aleatorio de ARNs, es probable que algunos sean catalíticos. También, Szostak ha demostrado recientemente que los ARNs replicantes dentro de una vesícula con membrana lípida hacen que crezca la vesícula, imitando el comportamiento de las células reales.

Pero retrocediendo aún más en el tiempo, ¿de dónde provienen los nucleótidos que conforman esas cadenas? Aquí nos enfrentamos con el problema del “abrelatas” a un nivel molecular. “La mayor preocupación sobre el mundo ARN es que no hay una creación prebiótica convincente de los monómeros activados” en algún mundo prebiótico plausible, dice Ferris.

A pesar de los años de experimentos con docenas de estrategias diferentes, nadie ha descubierto cómo construir estos absolutamente esenciales ingredientes iniciales para un mundo ARN. “Hay una comprensión creciente de que podríamos buscar más allá del ARN”, dice Szostak, hasta moléculas cuya química es un poco más dúctil, tales como ácido péptido nucleico (APN), un híbrido aminoácido-nucleótido sintético. Estos replicadores originales podrían entonces haber dado lugar al ARN, dice Leslie Orgel, profesor investigador y miembro principal en el Instituto Salk de Estudios Biológicos.

Pero el caso para el APN es débil. Mientras que las células modernas guardan todavía trazas de un mundo ARN catalítico dentro de ellas, “no hay absolutamente nada que yo conozca, que sugiera una evidencia de APN o de cualquier molécula por el estilo en las células actuales”, dice Orgel. Si alguna vez contribuyeron al desarrollo de la vida, todas las huellas de su existencia parecen haber sido borradas.

Ya sea que el replicador original fuera ARN o APN o cualquier otra molécula, cualquier modelo “genes primero” se basa en la abundancia de bloques constitutivos en el medioambiente, un requerimiento que parece depender de la discutida idea de la sopa prebiótica de Miller. Pero en junio de 2005, la sopa prebiótica volvió a la vida. Nuevos cálculos parecen demostrar que hubo considerablemente más hidrógeno en la atmósfera primitiva que lo anteriormente supuesto. “Esto podría revivir la química de Miller”, dice Orgel. Sin embargo, “todavía queda mucho camino que recorrer” para conseguir un conjunto completo de moléculas precursoras ARN.

¿El metabolismo más antiguo que la replicación?

En 1988, incluso cuando el mundo ARN estaba disfrutando su luna de miel intelectual, un bioquímico y abogado de patentes alemán, Günther Wächtershäuser, propuso una teoría alternativa radical sobre el origen de la vida basada en, nada menos, que el “oro de los tontos”. El bisulfuro de hierro (pirita u “oro de los tontos”) puede catalizar una variedad de reacciones bioquímicas cruciales.

Existen acumulaciones de sulfuro de hierro o de sulfuro de hierro-níquel en el corazón de varias enzimas antiguas y vitales que todavía utilizan las células actuales. Wächtershäuser propuso que el sistema vivo más primitivo no fue un replicador basado en nucleótidos, sino un metabolizador basado en minerales, que convertía los simples y abundantes compuestos inorgánicos (dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno) en compuestos orgánicos más complejos sobre la superficie de un cristal de pirita, probablemente en las chimeneas hidrotermales del fondo del mar.

¿Cómo fue que la vida se hizo quiral?Hasta la fecha, ninguno de los modelos ha propuesto una solución a uno de los problemas más fastidiosos de los orígenes: la quiralidad. Las moléculas tri-dimensionales tales como los azúcares y los aminoácidos pueden existir en dos formas con imagen de espejo, como las manos izquierda y derecha (“quiros” es la palabra griega para “mano”). Cualquier síntesis no-biológica de estas moléculas, tal como habría ocurrido antes de que surgiera la vida, produce cantidades iguales de cada tipo. Sin embargo, las células modernas utilizan exclusivamente aminoácidos “zurdos” y ribosas “diestras”, y la interferencia de las clases incorrectas impide las reacciones biológicas. ¿Cómo pudo surgir la vida quiral en la presencia de tanta interferencia? “Es un problema serio”, admite Orgel, “pero no tan tremendamente serio”. Orgel sugiere que una de varias soluciones posibles puede ser el azar, “un accidente congelado” que unió, y mantuvo unidas, a las moléculas con la quiralidad correcta. Un accidente de ese tipo no sea quizás tan improbable, dice Martin, quien calcula que una mezcla de todas las combinaciones izquierdas y derechas posibles de un péptido de 25 aminoácidos (una cadena aminoácida) pesaría unos 25 kilogramos. “Cualquier cosa más pequeña sería imperfecta”, dice. Martin destaca también que el problema podría ser más sencillo que lo que parece, ya que la quiralidad de una molécula como un azúcar se mantiene comúnmente a medida que esa molécula se abre camino a través de su sendero metabólico. Una enzima en la cabecera del sendero podría actual como un “filtro”, permitiendo que entren únicamente aquellas moléculas con la quiralidad correcta, fijando así la quiralidad para ese sendero y para todas las ramificaciones que surjan de él. Exactamente ése es la característica que se ve en el sendero metabólico central para la formación de azúcares que se encuentran en todas las células.

Este modelo de “metabolismo primero” tiene un fuerte campeón en Harold Morowitz, quien pinta los dos modelos principales para el origen de la vida como “el cielo y el infierno”. Los escenarios tipo Miller, incluyendo al modelo “genes primero”, descansan sobre un tesoro de precursores que llueven desde arriba. El modelo estándar del mundo ARN, dice, “requiere un medioambiente que es imposiblemente improbable”. La alternativa es un conjunto mucho más pequeño de moléculas, en concentraciones mucho más altas, burbujeando desde el fondo. “Realmente me gustan las teorías que van desde lo simple hasta lo complejo”, dice Morowitz.

La posibilidad de que el metabolismo comenzara primero en las chimeneas hidrotermales ha sido propuesta más recientemente por Michael Russell, profesor investigador de geología en el Centro de Investigación Medioambiental de las Universidades Escocesas en Glasgow, y William Martin, profesor de la Universidad de Düsseldorf. Russell y Martin proponen que el metabolismo de la vida se desarrolló no sobre una superficie bi-dimensional de pirita sino dentro de diminutas cavidades recubiertas de monosulfuro de hierro, a través de las cuales se filtraba una mezcla rica en energía de hidrógeno y dióxido de carbono disuelta en agua marina.

A principios de la década de 1980, Russell descubrió campos fósiles de “chimeneas” de sulfuro de hierro formadas en el suelo oceánico hace 350 millones de años. A diferencia de las más famosas y mucho más grandes “fumarolas negras” (conductos hidrotermales del mar profundo que se encuentran en las cordilleras centro-oceánicas y que escupen agua caliente rica en minerales desde chimeneas sulfurosas), cada una de las chimeneas de Russell no tiene más de diez centímetros de alto y poco más de un centímetro de diámetro.

Todo el campo cubre decenas de metros cuadrados y está compuesto, en parte, por muchos miles de cavidades milimétricas, formadas por el escape gaseoso de hidrógeno y dióxido de carbono, que burbujeó a través de fracturas de la corteza. Si bien las estructuras particulares descubiertas por Russell se formaron mucho después de los orígenes de la vida, casi ciertamente existieron estructuras similares en el océano prebiótico, dice Russell. Cada una de ellas podría haber permanecido estable a lo largo de miles de años, un pequeño receptáculo de reacciones experimentales en el fondo del mar.

Y a diferencia de los 400 ºC del agua surgente de una fumarola negra, el agua que fluía a través de esos conductos estaba mucho más fría, a no mucho más de 100 ºC. Fuera de la cámara, el océano pudo haber sido todavía más frío, y más ácido y más oxidado que la solución interior, creando un conjunto de fuertes gradientes electroquímicos y de temperatura a lo largo de la microscópicamente porosa superficie de la cámara. “A la vida le encanta vivir en los gradientes”, dice Russell.

El lento escurrir de hidrógeno y dióxido de carbono a través de tales cámaras y a lo largo del catalizador de sulfuro de hierro promueve la formación de acetatos, según Russell y Martin. El acetato es un intermediario clave en virtualmente todos los senderos biosintéticos, y en las células modernas entra en estas reacciones unido al azufre.

En las bacterias modernas, las dos enzimas que hacen al acetato dependen de un núcleo catalítico de hierro, níquel y azufre, ordenados casi exactamente como se los encuentra en el propio mineral. “En otras palabras”, han escrito Russell y Martin, estos cúmulos enzimáticos de metal “no son invenciones del mundo biológico, sino que son imitaciones de minerales que son indiscutiblemente más antiguos, que por sí mismos tienen actividades catalíticas en ausencia de proteínas”.

Chimeneas Tynagh: Una vista desde arriba de un campo de chimeneas, mostrando a esos conductos (círculos negros) y a las burbujas, que contienen cámaras. El objeto colocado para escala mide 2 centímetros de lado. Estas chimeneas fósicles se formaron mucho después del origen de la vida, pero podrían ser similares a aquellas en que, según una hipótesis, comenzó por primera vez el metabolismo.

Estas cámaras sugieren también una solución radical a un problema difícil, uno que no tiene otra resolución obvia. Las células modernas están agrupadas en dos dominios, las eubacterias y las arqueobacterias. Estos antiguos linajes comparten el mismo metabolismo de energía y el mismo código genético, presumible reflejo de un único ancestro común. Sin embargo, difieren profundamente en la forma en que sintetizan a los lípidos en sus membranas.

Una explicación, descartada por Martin, es que el ancestro común tenía una membrana probablemente similar a la estructura eubacterial, y que el ancestro arqueobacterial “tuvo que re-inventar completamente la química de su pared celular”. Tales propuestas son “completamente opuestas a la fisiología microbiana”, dice.

La alternativa favorecida por Russell y Martin es que estas diferencias lípidas reflejan una divergencia en las dos líneas después de que el ancestro común ya tuviera listos su código genético y su bioquímica del carbono, pero antes de que desarrollara membranas lípidas. Las cámaras sirvieron como un compartimiento para la célula original, y fue remplazada por lípidos después de la separación de las líneas eubacteriales y arqueobacteriales.

El modelo de Russell y Martin proporciona también una solución a otro asunto espinoso en el comienzo de la vida, el de la concentración.

Una característica esencial de todas las células es su capacidad de mantener altas concentraciones de material que son escasos en el mundo que las rodea. En ausencia de una membrana celular, ¿cómo hicieron las formas proto-vitales para recolectar materias primas, e impedir que se disiparan en la vastedad del ambiente a su alrededor? Las cámaras de Russell resuelven este problema esencialmente en la misma forma en que lo hacen las células modernas, con una frontera exterior que sea permeable para las pequeñas moléculas reactivas, pero que lo sea mucho menos para las más grandes moléculas producidas.

Entonces, el en escenario de Russell y Martin, el metabolismo estable que se desarrolló dentro de esas cámaras dio lugar finalmente a un sistema genético, probablemente dependiente del ARN, que codificó proteínas simples, posiblemente a través de la acreción directa de ARN y de aminoácidos sobre la superficie de un mineral catalítico. Finalmente, estos proto-organismos desarrollaron membranas, completando su evolución hacia células reconocibles.

Este modelo de metabolismo-primero no es una alternativa a la vida basada en el ARN. “No podemos trabajar sin un mundo ARN”, dice Martin. Pero sí propone que la geología de los conductos hidrotermales proporcionó la estructura en la que emergió la vida, y sugiere que la comprensión de la química orgánica prebiótica en estos conductos puede proporcionar la clave para comprender el surgimiento de la vida a partir de la no-vida.

Redes metabólicas auto-organizativas

Si bien no está necesariamente convencido con los detalles de esta propuesta, Morowitz aplaude el enfoque sobre la fisiología bacterial como una guía para comprender la vida primitiva. “El metabolismo recapitula la biogénesis”, propone.

Sección transversal botiroidal: Una sección transversal de un depósito de sulfuro de hierro muestra las pequeñas cámaras en su interior. Una hipótesis sobre el origen de la vida sugiere que en esas cámaras comenzó por primera vez el metabolismo, a medida que que el hidrógeno y el dióxido de carbono burbujeaban a través de ellas y reaccionaban para formar compuestos orgánicos simples.

Pero para Morowitz, el desarrollo más emocionante en el campo del metabolismo-primero, “la idea realmente novedosa”, es que las moléculas orgánicas pequeñas, tales como los aminoácidos, pueden catalizar la formación de otras moléculas orgánicas pequeñas, tales como los ácidos nucleicos. “Esto ha surgido apenas en los dos últimos años”, dice.

Esta visión ha encontrado un fuerte apoyo en un nuevo descubrimiento publicado en la revista Chemistry en agosto de 2005, el que indica que los aminoácidos simples pueden catalizar la creación de azúcares a partir de materiales iniciales con especificidad tipo enzimática.

“Lo que ha surgido es un muy fuerte principio auto-organizativo”, dice Morowitz. En esta visión, si bien el sulfuro de hierro puede haber sido el catalizador original, no siguió siendo el único por mucho tiempo. A medida que los productos de las reacciones originales catalizaban nuevas reacciones, fueron apareciendo prontamente redes metabólicas. Se desarrollaron rizos de retroalimentación cuando dos moléculas regularon las síntesis una a la otra. “El sistema puede ir a cuestas de sí mismo en su ascenso”, dice.

Si bien el estudio de tales redes está todavía en pañales, Morowitz sugiere que guardan la clave para un montón de problemas complicados, incluyendo el de la síntesis del ARN. “No es un problema en este enfoque de redes. Los compuestos precursores aparecen muy prontamente”, mientras que la formación de los nucleótidos completos surge posteriormente. “Aún hoy en día esta es la red central de la bioquímica”.

Todavía no queda claro cómo, o si, estos modelos enfrentados encajarán uno con el otro, y si llevarán a un escenario robusto para el origen de la vida. De hecho, puede que finalmente todos sean incorrectos, y que la solución real se encuentre escondida en algún descubrimiento que todavía esté por realizarse.

Cualesquiera que sean las dificultades, dice Morowitz, el atractivo del campo radica en su potencial para responder la pregunta más grande de todas. “No se harán medicamentos o una mejora en la agricultura. Se hará un impacto filosófico”, concuerda Szostak. “Estas son grandes cuestiones. Cualquier ser pensante tiene que ser atrapado por ellas”.

Autor y publicación originales: Robinson R (2005) Jump-Starting a Cellular World: Investigating the Origin of Life, from Soup to Networks. PLoS Biol 3(11): e396
Referencias:

1).- Russell MJ, Martin W (2004) The rocky roots of the acetyl-CoA pathway. Trends Biochem Sci 29: 358–363.

Notas:

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Richard Robinson es un escritor científico free-lance de Sherborn, Massachusetts, EE.UU.
e-mail: rrobinson@nasw.org

Fecha de publicación original en PLoS: Noviembre 15, 2005

DOI: 10.1371/journal.pbio.0030396
Copyright: © 2005 Richard Robinson. Este es un artículo de acceso abierto, distribuido bajo los términos de la Licencia de Atribuciones Creativas Comunes, que permite el uso, distribución y reproducción sin restricciones en cualquier medio, si se acreditan el autor y la fuente original.

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Fumarola negra en el fondo del océano.© Columbia.edu / Lutz and Haymon

Traducido para Astroseti.org por
Heber Rizzo Baladán

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Web Site: Astrobiology.com
Artículo: “Jump-Starting a Cellular World: Investigating the Origin of Life, from Soup to Networks”
Autor: Richard Robinson
Fecha: Diciembre 02, 2005

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