El futuro de la Química Prebiótica. Los desafíos de explicar el origen de la vida

Plantear una hipótesis sobre un posible origen de la vida exige considerar transiciones factibles de lo prebiótico (prae-antes, βιο-vida; antes de la vida) a lo biótico. De acuerdo con Stephen Mann, esto conlleva dos desafíos trascendentales. Por un lado, determinar ¿cómo ocurrieron estas transiciones en la Tierra primitiva? Por el otro, conocer si tales transiciones pueden simularse en el laboratorio.

Evolución Química y Química Prebiótica

La comunidad científica ha trazado un camino lleno de evidencias que apuntan a que la vida en la Tierra pudo haber surgido a partir de la interacción de moléculas orgánicas y un sinfín de variables geoquímicas presentes durante las primeras etapas de la formación del planeta, por ejemplo: iones metálicos, sales disueltas en el océano, minerales, diversas fuentes de energía, entre otras. El periodo durante el cual pudieron ocurrir estas transiciones se ha llamado evolución química.

Si bien sabemos que la unidad básica de la vida es la célula, existen innumerables incógnitas de los procesos que llevaron a su origen. No obstante, todos los organismos conocidos poseen, al menos, tres características que se consideran propiedades básicas de la vida: I) la separación del medio a través de membranas (compartimentalización); II) material genético para almacenar y transferir información; y III) la capacidad de realizar reacciones químicas acopladas (metabolismo).

Para entender cómo ocurrió la transición que comenzó con materia orgánica sencilla y dio lugar a la formación de una entidad que poseyera las tres propiedades esenciales antes mencionadas, es necesario realizar simulaciones, ya sean experimentales en el laboratorio y/o computacionales.

Así pues, la química prebiótica estudia experimentalmente y de manera sistemática la síntesis abiótica, la estabilidad y el destino de diversas moléculas orgánicas sometidas a las distintas condiciones geoquímicas que pudieron estar presentes en la Tierra primitiva.

De igual manera, esta área de estudio busca describir las vías que pudieron conducir a la formación espontánea de polímeros, así como explicar las relaciones entre las distintas subestructuras químicas presentes en sistemas supramoleculares. En otras palabras, cómo se ensamblan los diversos componentes químicos y cómo éstos dan paso a una estructura química más compleja.

El mexicano Alfonso L. Herrera fue uno de los pioneros a nivel mundial en realizar experimentos para entender el origen de la vida. Sus experimentos, realizados a finales del siglo XIX y principios del XX, se enfocaban en estudiar el origen del protoplasma.

A grandes rasgos, Herrera desarrolló una línea de trabajo conocida como “Plasmogenia” (plasma-forma modelada, genea-generación; origen del protoplasma). Tal estudio buscaba, entre otras cosas, comprender el origen de la mezcla de sustancias y agua, protoplasma, que estaban presentes en las células y que él sostenía era la base física y química de la vida.

Años más tarde, Melvin Calvin, Harold Urey y Stanley Miller inauguraron formalmente este campo de investigación al realizar experimentos enfocados en estudiar la transformación y síntesis de compuestos orgánicos en condiciones probables de la Tierra primitiva.

A partir de entonces, una enorme cantidad de resultados experimentales respaldan la hipótesis de la evolución química y, actualmente, nuestra concepción sobre los procesos que pudieron tener lugar en la formación de los tres componentes básicos de la vida es más consistente.

De acuerdo con varios autores, existen tres pilares dentro de la química prebiótica: I) la síntesis de azúcares, por la reacción de formosa; II) la síntesis de nucleobases, a partir de la polimerización del ácido cianhídrico, y III) la síntesis de aminoácidos por el experimento de descargas eléctricas en una atmósfera reducida.

Sin embargo, pese al avance en el entendimiento de algunos de los fenómenos involucrados, la mayoría de los experimentos propuestos implican reacciones no selectivas y  producen mezclas muy complejas. De igual manera, en dichos experimentos se utilizan concentraciones que difícilmente pudieron haber existido en entornos primitivos.

Además, se ha cuestionado la plausibilidad y el enfoque de algunos escenarios prebióticos, así como las repercusiones de los mismos en la formación de moléculas orgánicas complejas.

Química de Sistemas

Addy Pross y Robert Pascal  mencionan que existe común acuerdo en que la aparición de la vida tuvo que estar relacionada con algún sistema químico autocatalítico, es decir, aquél en que sus productos de reacción sirvan como materia prima para iniciar la misma reacción.

A finales de la década de 1970, Manfred Eigen propuso la idea de que las redes moleculares son más efectivas para establecer reacciones autosostenibles y que esto podría permitir una mayor selección de las moléculas y favorecer el potencial coevolutivo de las mismas.

Años más tarde, los experimentos de Günter von Kiedrowski marcaron un hito en el estudio de los procesos autocatalíticos no enzimáticos (sin proteínas) y fueron un punto clave en el desarrollo de lo que actualmente se conoce como Química de Sistemas, que es entendida como “la disciplina que estudia los mecanismos de mantenimiento dinámico de sustancias químicas”.

Recientemente, el químico británico John Sutherland se cuestionó sobre la compatibilidad de la química involucrada en diversos experimentos en química prebiótica. En vista de eso, planteó una química que pudiera explicar diversos subsistemas (formación de nucleobases, azúcares, aminoácidos y lípidos en un mismo escenario químico).

En otras palabras, un solo escenario químico en donde diversas moléculas informativas, junto con interacciones químicas continuas, favorecieran la catálisis de reacciones y estuvieran bien delimitadas por una membrana, y que además pudieran estar disponibles en entornos geoquímicos interconectados.

Por otro lado, R. Krishnamurthy puso en tela de juicio la importancia de la presencia y el papel de las biomoléculas en la vida. La presencia actual de diversas biomoléculas es el resultado de un proceso de selección influenciado y dictado por las propiedades fisicoquímicas de las moléculas expresadas en los diversos ambientes geoquímicos.

En consecuencia, el mismo autor sugiere que la gran mayoría de estudios de química prebiótica han consistido en experimentos centrados en estudiar el comportamiento de un restringido espectro de moléculas orgánicas, además de adaptar los distintos resultados a un posible escenario geoquímico primitivo (por ejemplo, el Mundo de RNA/Mundo de Proteínas).

De igual manera, resalta que se han estudiado los tres componentes básicos de vida de manera separada y no hay común acuerdo del escenario geoquímico en donde pudieron emerger. Por ello, para Krishnamurthy, los resultados están limitados por el escenario que se busca simular, y son considerados como experimentos “limpios y aislados”.

En resumen, este investigador sugiere que “la química prebiótica ha estado enfocada en demostrar los caminos a través de los cuales las biomoléculas existentes de la vida se pueden producir inmediatamente bajo condiciones potencialmente prebióticas”.

Retomando al mencionado autor, así como a Leroy Cronin y Sara I. Walker, el tipo de experimentos que se realizan pueden producir sesgos en los diversos enfoques, dando como resultado la sobreestimación de posibles escenarios geoquímicos, pues el enfoque predominante está centrado en la bioquímica que conocemos.

Considerando lo anterior, se ha sugerido que la química prebiótica debe modificar su enfoque, y tomar en cuenta escenarios químicos y geológicos más consistentes y dinámicos en los que se examinen tanto los procesos físicos como las fuerzas impulsoras.

Estas fuerzas son, por ejemplo, reacciones favorecidas entre grupos de moléculas que fueron seleccionadas previamente por sus propiedades fisicoquímicas.

Sutherland propone que la síntesis de diversos componentes celulares (nucleótidos, aminoácidos, lípidos) puede darse a partir de materias primas comunes resultado de diversas reacciones semi-independientes.

Una vez sintetizados algunos fragmentos reactivos, éstos podrían interaccionar, bajo condiciones prebióticas todavía muy discutidas, dando paso a estructuras químicas complejas (por ejemplo, ribonucleótidos).

Por otro lado, Krishnamurthy señala que la aparición de la vida pudo haber sido producida/seleccionada en varias etapas y niveles crecientes de complejidad; es decir, ciertos precursores químicos se transformaron en las moléculas orgánicas que son usadas por los organismos actuales (como los ácidos nucleicos).

En otras palabras, algunas interacciones naturales pudieron conducir a reacciones selectivas o de retroalimentación, que a su vez establecieron la siguiente etapa para otras selecciones químicas.

Ejemplos de esta propuesta son la formación de oligómeros enriquecidos en enlaces peptídicos, a partir de una mezcla de α-aminoácidos y α-hidroxiácidos, la importancia del ácido orótico como punto de partida en las vías químicas hacia el RNA; y la emergencia de polímeros homogéneos a partir de una mezcla de oligómeros heterogéneos.

Como se mencionó anteriormente, estas propuestas están englobadas en un campo de estudio que consiste en desarrollar una química de sistemas y estudiar el comportamiento y evolución de sistemas compuestos por diversas moléculas orgánicas en distintos ambientes geoquímicos.

Estas nuevas perspectivas consideran la interacción entre diversas moléculas orgánicas (mutualismo y/o sinergismo) como una alternativa que pudo favorecer ciertas reacciones químicas y permitir el desarrollo de complejidad molecular. 

Es posible notar que aún existen huecos en el entendimiento de los procesos que pudieron estar implicados durante la evolución química, la formación de las tres componentes fundamentales de la vida y muy eventualmente, en el origen de la vida.

Sin embargo, se ha reconocido el papel de diversas moléculas orgánicas no sólo respecto a su presencia y/o roles en las actuales biomoléculas de la vida, sino que también pudieron ser resultado de un proceso de selección, influenciado y dictado por las propiedades fisicoquímicas de las mismas moléculas y el ambiente que las rodea.

El alcance de la química prebiótica y en particular, la química de sistemas, es limitado respecto al entendimiento de los procesos que llevaron al origen de la vida. No obstante, el conocimiento actual y las sugerencias de considerar el dinamismo entre los diversos ambientes primitivos han marcado una nueva pauta en la forma de entender el problema, así como el planteamiento de experimentos de laboratorio.

El alcance de los experimentos de química prebiótica aún está muy alejado de lo que podríamos considerar el origen de la vida. Durante años ha estado enfocado en el entendimiento paulatino de los procesos que pudieron llevar al desarrollo de estructuras moleculares complejas y, eventualmente, a la formación de los tres componentes básicos de la vida: compartamentalización, material genético y metabolismo.

Hoy día, la nueva perspectiva consiste en realizar experimentos más complejos, en los que se considere la interacción de diversas moléculas en un mismo ambiente. Ello implica, por lo tanto, que tales componentes puedan emerger en el mismo sistema. De igual manera, aún hay grandes huecos en el conocimiento de cómo, una vez teniendo disponibles estas propiedades básicas, éstas pudieron dar paso a la formación de un mundo pre-RNA y/o sus variaciones e inciertamente en el origen de la vida.

Referencias:

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Los autores*

Saúl A. Villafañe-Barajas. Doctor en Ciencias de la Tierra por parte de la UNAM. Su investigación se enfoca en entender la interacción de diferentes moléculas orgánicas con superficies minerales con el objetivo de estudiar y comprender el desarrollo de complejidad molecular desde una perspectiva de Química de superficies, Ciencia de materiales y Origen de la vida. Comparte sus proyectos de investigación generando contenido de divulgación científica como el podcast "Origen de la Vida, Planeteando".

Alberto Vázquez-Salazar. Biólogo y Doctor en Ciencias por la Universidad Nacional Autónoma de México. Actualmente realiza investigación postdoctoral en la Universidad de California en Los Ángeles, donde se enfoca en las propiedades catalíticas de las moléculas de RNA y su posible papel en la evolución temprana de la vida.

María Colín-García. Bióloga y Doctora en Ciencias por la Universidad Nacional Autónoma de México. Interesada en entender el papel de los minerales en la química prebiótica. Actualmente es investigadora titular en el Instituto de Geología de la UNAM.

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