¿Cuáles son las reacciones químicas que dieron origen a la vida en la Tierra?

Un estudio demuestra que sólo se necesita un puñado de reacciones bioquímicas «olvidadas» para transformar simples compuestos geoquímicos en las complejas moléculas de la vida

El origen de la vida en la Tierra ha sido durante mucho tiempo un misterio que ha eludido a los científicos. Una cuestión clave es cuánto de la historia de la vida en la Tierra se ha perdido en el tiempo. Es bastante común 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 saberlo? Esta pregunta inspiró a investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) del Instituto Tecnológico de Tokio y del Instituto Tecnológico de California (CalTech) en Estados Unidos. Razonaron 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.

La Tierra primitiva era rica en compuestos simples como el sulfuro de hidrógeno, el amoníaco y el dióxido de carbono, moléculas que no suelen asociarse con la vida. Pero, hace miles de millones de años, la vida primitiva 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 aún se encuentran hoy en día. Estos procesos representan las primeras vías metabólicas.

Las reacciones químicas que dieron origen a la vida

Para modelizar la historia de la bioquímica, los investigadores del ELSI necesitaban un inventario de todas las reacciones bioquímicas conocidas, para comprender qué tipos de química es capaz de realizar la vida. Para ello 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, empezaron a modelizar el desarrollo escalonado del metabolismo.

Los intentos anteriores de modelizar la evolución del metabolismo de este modo habían fracasado sistemáticamente a la hora de producir las moléculas más extendidas y complejas utilizadas por la vida contemporánea. Sin embargo, la razón no estaba del todo clara. Al igual que antes, cuando los investigadores ejecutaron su modelo, descubrieron que sólo podían producirse unos pocos compuestos. Una forma de sortear este problema es impulsar la química estancada aportando manualmente compuestos modernos. Los investigadores optaron por un enfoque diferente: Querían determinar cuántas reacciones faltaban. Y su búsqueda les llevó hasta una de las moléculas más importantes de toda la bioquímica: el trifosfato de adenosina (ATP).

El ATP es la moneda energética de la célula porque puede utilizarse para impulsar reacciones -como la formación de proteínas- que de otro modo no se producirían 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 forma de que la vida actual produzca ATP. Esta dependencia cíclica era la razón por la que el modelo se detenía.

El polifosfato entre la química de la vida y la química inorgánica

¿Cómo podría resolverse este «cuello de botella de ATP»? Resulta que la parte reactiva del ATP es notablemente similar al compuesto inorgánico polifosfato. Permitiendo que las reacciones generadoras de ATP utilizaran polifosfato en lugar de ATP -modificando sólo ocho reacciones en total- se podría conseguir casi todo el metabolismo básico contemporáneo. De este modo, los investigadores pudieron estimar la edad relativa de todos los metabolitos comunes y plantearse preguntas concretas sobre la historia de las rutas metabólicas.

Una de esas preguntas 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? «Puede que nunca lo sepamos con exactitud, pero nuestra investigación aportó una prueba importante: sólo se necesitan ocho reacciones nuevas, todas ellas reminiscentes de reacciones bioquímicas comunes, para tender un puente entre la geoquímica y la bioquímica, afirma Smith». «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», concluye Smith.

REFERENCIA

Primitive purine biosynthesis connects ancient geochemistry to modern metabolism

Foto: El metabolismo es el «corazón palpitante de la célula». Una nueva investigación del ELSI 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. Crédito: Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA/Francis Reddy/NASA/ESA