Las moléculas “olvidadas” que originaron la vida en la Tierra

Un estudio demuestra que solo se necesita un puñado de ocho reacciones bioquímicas “perdidas en el tiempo” para transformar simples compuestos geoquímicos en las complejas moléculas que dieron lugar a la vida.

Por el Instituto Tecnológico de Tokio

El origen de la vida en la Tierra ha sido durante mucho tiempo un misterio que ha desafiado a la ciencia. Una cuestión clave es qué parte de la historia de la vida en la Tierra se ha perdido en el tiempo.

Es bastante habitual que una sola especie deje de utilizar una reacción bioquímica, y, si esto ocurre en un número suficiente de especies, la vida en la Tierra podría haber olvidado esas reacciones. Pero si la historia de la bioquímica está plagada de reacciones olvidadas, ¿habría alguna forma de sacarlas a la luz?

Esta pregunta inspiró a investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI), del Instituto Tecnológico de Tokio , en Japón; y del Instituto Tecnológico de California (CalTech), en Estados Unidos. Pensaron que la química olvidada aparecería como discontinuidades o rupturas en el camino que sigue la química desde las moléculas geoquímicas simples hasta las moléculas biológicas complejas.

Una Tierra primitiva rica sulfuro de hidrógeno, amoníaco, dióxido de carbono y otros compuestos simples.

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.

El metabolismo es el corazón palpitante de la célula. Una nueva investigación recorre la historia del metabolismo desde la Tierra primigenia hasta nuestros días (de izquierda a derecha). La historia del descubrimiento de compuestos a lo largo del tiempo (línea blanca) es cíclica, casi como un electrocardiograma. Cortesía: NASA's Goddard Space Flight Center/Francis Reddy/NASA/ESA

Para modelar la historia de la bioquímica, los investigadores del ELSI —Harrison B. Smith, Liam M. Longo y Shawn Erin McGlynn—, en colaboración con el científico Joshua Goldford, del CalTech, necesitaban generar un inventario de todas las reacciones bioquímicas conocidas, para comprender qué tipos de química es capaz conformar la vida. Recurrieron a la base de datos de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kioto, que ha catalogado más de 12.000 reacciones bioquímicas. Con las reacciones en la mano, comenzaron a modelar el desarrollo gradual del metabolismo.

Intentos anteriores de modelar la evolución del metabolismo de esta manera habían fallado una y otra vez en producir las moléculas más extendidas y complejas utilizadas por la vida actual. Sin embargo, la razón no estaba del todo clara. Al igual que antes, cuando los investigadores ejecutaron su modelo, encontraron que solo se podían producir unos pocos compuestos.

El ATP tiene una propiedad única: las reacciones que forman ATP requieren ATP.

Una forma de sortear este problema es dar un empujón a la química estancada aportando manualmente compuestos modernos. Los investigadores optaron por un enfoque diferente: querían determinar cuántas reacciones faltaban. Y su búsqueda los llevó de regreso a una de las moléculas más importantes en toda la bioquímica: el adenosín trifosfato (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. Sin embargo, el ATP 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 manera para que la vida actual produzca ATP. Esta dependencia cíclica era la razón por la que el modelo se detenía.

¿Cómo podría resolverse este cuello de botella de ATP? Resulta que la parte reactiva del ATP es notablemente similar al compuesto inorgánico polifosfato. Al permitir que las reacciones generadoras de ATP usen polifosfato en lugar de ATP, modificando solo ocho reacciones en total, casi todo el metabolismo central contemporáneo podría lograrse. Luego, los investigadores podrían estimar las edades relativas de todos los metabolitos comunes y hacer preguntas específicas sobre la historia de las vías metabólicas.

Molécula de ATP, un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Crédito: Ben Mills

Una de estas cuestiones es si las vías biológicas se construyeron de forma lineal —en la que se añade una reacción tras otra de forma secuencial— o si las reacciones de las vías surgieron como un mosaico, en el que reacciones de edades muy diferentes se unen para formar algo nuevo. Los investigadores pudieron cuantificarlo y descubrieron que ambos tipos de vías son casi igual de comunes en todo el metabolismo.

Pero volviendo a la cuestión que inspiró el estudio, ¿cuánta bioquímica se pierde con el tiempo? “Quizá nunca lo sepamos con exactitud, pero nuestra investigación arrojó una prueba importante: solo se necesitan ocho reacciones nuevas, todas ellas reminiscentes de reacciones bioquímicas comunes, para tender un puente entre la geoquímica y la bioquímica—afirma Smith. Y concluye—: Esto no prueba que el espacio de la bioquímica desaparecida sea pequeño, pero sí demuestra que incluso reacciones que se han extinguido pueden redescubrirse a partir de pistas dejadas en la bioquímica moderna”.

• Información facilitada por el Instituto Tecnológico de Tokio -Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones

• Fuente: Joshua E. Goldford, Harrison B. Smith, Liam M. Longo, Boswell A. Wing and Shawn Erin McGlynn. Primitive purine biosynthesis connects ancient geochemistry to modern metabolism. Nature Ecology & Evolution (2024). DOI: 10.1038/s41559-024-02361-4