Una mezcla relativamente simple de sustancias químicas puede producir algunos de los compuestos necesarios para formar ARN, según han demostrado científicos australianos.
Científicos del Centro Australiano de Astrobiología (ACA) de la UNSW (Centro Australiano de Astrobiología de la Universidad de Nueva Gales del Sur) y del Instituto de Ciencias de la Vida Terrestre del Instituto de Tecnología de Tokio (Japón) han recreado las condiciones «desordenadas» que pueden haber dado lugar a los precursores necesarios para la formación de la vida en la Tierra primitiva.
El campo científico de la química prebiótica es el estudio de la química que podría haber sido importante para los orígenes de la vida. «Hay muchos científicos que han investigado cómo se pueden producir nucleótidos, que son los componentes básicos del ADN y el ARN», dice Quoc Phuong Tran, candidato a doctorado de la Facultad de Química.
“Estas síntesis están diseñadas meticulosamente en una reacción lineal. Pero falta literatura sobre el proceso de formación de nucleótidos que se realiza en entornos relativamente desordenados”, señaló el científico.
En un nuevo estudio, publicado recientemente en Chemical Science, Tran y el profesor titular de la UNSW y director de la ACA, el doctor Albert Fahrenbach, descubrieron que un tipo de reacción, conocida como reacción autocatalítica de la formosa, que comienza a partir de reactivos simples que evolucionan rápidamente a una mezcla compleja: puede manipularse para producir algunos de los ingredientes necesarios para producir ARN.
El ARN es importante en el contexto de la vida temprana porque a menudo se piensa que es uno de los primeros polímeros genéticos que surgió en la Tierra primitiva a través de la geoquímica natural que finalmente dio lugar a la vida tal como la conocemos.
“Sabemos que la biología no hace las cosas de forma lineal, sino que implica procesos mucho más complejos. Estos procesos complejos suelen implicar cosas como la autocatálisis”, afirma el doctor Fahrenbach. «Lo más emocionante es que esta síntesis, al menos conceptualmente, se parece más a cómo la vida lleva a cabo la síntesis«, dijo.
Estos hallazgos no sólo son apasionantes desde el punto de vista de intentar comprender cómo pudo haber comenzado la vida en la Tierra, sino que también invitan a los investigadores a explorar nuevas formas de sintetizar moléculas importantes desde el punto de vista comercial y medicinal, de una manera que es potencialmente mucho más barata a un precio asequible. escala industrial.
Todas las células son como pequeñas fábricas químicas, llenas de complejas redes de reacción, pero nadie entiende realmente cómo algo tan complejo como una célula pudo haber surgido en la Tierra primitiva.
Sin embargo, sí sabemos que un aspecto clave de cómo las células llevan a cabo reacciones hoy en día se llama autocatálisis. «La mayoría de la gente está familiarizada con un catalizador en el sentido de que ayuda a otras moléculas a reaccionar entre sí, es decir, acelera la reacción», dice Fahrenbach.
«Piense en el convertidor catalítico de su automóvil: acelera la conversión de los gases que causan el smog en emisiones más benignas», destacó el especialista.
Un autocatalizador no sólo acelera la reacción, sino que también hace más copias de sí mismo a partir de la reacción que está acelerando. De hecho, las reacciones autocatalíticas son capaces de reproducirse, como un convertidor catalítico que produce aún más convertidores catalíticos.
Incluso se puede considerar la propia reproducción celular como un conjunto complejo de reacciones autocatalíticas, una característica clave de la vida.
“Nuestra investigación muestra que esta red de reacción autocatalítica conocida como reacción de formosa, que produce una variedad de azúcares, puede ser obligada a producir otros compuestos necesarios para la síntesis de ARN. Al igual que el ADN, el ARN puede almacenar información, pero también puede llevar a cabo funciones de mantenimiento de la célula como lo hacen las proteínas”, dijo Fahrenbach en el estudio.
La reacción de formosa, descubierta por primera vez en 1861, es uno de los mejores ejemplos de un ciclo de reacción autocatalítica que podría haber ocurrido en la Tierra primitiva.
«Muchas de estas síntesis prebióticas para producir diversas biomoléculas importantes se han estudiado utilizando técnicas de química orgánica tradicional”. “Ahora bien, eso realmente no se aplica tan bien en la Tierra primitiva, porque no había ningún químico orgánico en la Tierra que se ocupara de estas reacciones», afirma el científico.
«Una de las cosas más interesantes de esta investigación es que estamos utilizando un enfoque de química más desordenada, química desordenada que significa química compleja», explicó el experto.
Fahrenbach señala que se puede pensar en una célula como un reactor químico grande y complejo que no lleva a cabo todas las reacciones en un proceso gradual. Así que el equipo se propuso crear un entorno en el laboratorio que fuera análogo a las condiciones necesarias para fabricar las primeras células en la Tierra.
«Creamos estas condiciones agregando los componentes que nos interesan: moléculas que incluyen formaldehído y glicolaldehído, que forman la base de la reacción de la formosa». «Luego agregamos el tercer compuesto, cianamida, y los mezclamos y los calenté”, dice, por su parte, Tran.
Juntos, el equipo quería realizar un seguimiento de la reacción a lo largo del tiempo deteniéndola cada dos minutos y utilizando técnicas analíticas para medir los productos en cada momento. «Utilizamos un proceso llamado cromatografía, que nos permitió separar esta mezcla compleja para identificar los compuestos de la reacción», dice el especialista.
«También queríamos medir sus concentraciones utilizando algo llamado espectrometría de masas, que nos permite detectar estas moléculas por sus masas», agregó Tran.
Para asegurarse de que estaban identificando los compuestos correctos, el equipo luego verificó sus resultados comparando sus productos con estándares químicos.
Este trabajo abre la puerta a una mayor comprensión de cómo se puede «diseñar» la autocatálisis para realizar síntesis más parecidas a las de las células modernas.
«Antes de este trabajo, muchos investigadores habrían pensado que la reacción de formosa y la síntesis de ARN podrían ser fundamentalmente incompatibles y no podrían integrarse directamente entre sí«, afirma Fahrenbach.
“La razón por la que esta investigación es tan interesante es porque la autocatálisis también es lo que se necesita para observar comportamientos más ‘realistas’ que surgen de sistemas de moléculas relativamente simples», explicó el científico.
«Las células pueden responder a señales del entorno que mejoran su capacidad para navegar y sobrevivir. La autocatálisis también permite que los sistemas de moléculas respondan a señales ambientales, como si estuvieran vivas”, añade Fahrenbach en el estudio.
La autocatálisis también tiene el potencial de abaratar la síntesis de algunos compuestos de importancia farmacéutica. “Imagínese una reacción que autocatalíticamente produjera algún compuesto importante necesario para un fármaco.
Muchos compuestos dependen de catalizadores «normales» para llevar a cabo una reacción, pero ¿qué pasaría si la reacción también produjera el catalizador necesario para esa reacción?
Cuantos más estudios podamos perfeccionar utilizando la autocatálisis, mejor entenderemos cómo se puede aprovechar para hacer que las reacciones químicas comunes sean más eficientes. «Nunca se sabe qué aplicaciones interesantes surgirán al responder preguntas fundamentales, y por eso vale tanto la pena«, afirma Fahrenbach.
«Uno de los próximos pasos es integrar esta red de reacción dentro de una ‘protocélula’, un pequeño compartimento del tamaño de una célula que puede ayudarnos a comprender mejor cómo pudo haber surgido la vida en circunstancias similares en la Tierra primitiva», agregó el especialista.
