Decodificando los orígenes de la vida con pistas bioquímicas perdidas

El metabolismo es el «corazón palpitante de la célula». Una nueva investigación de ELSI rastrea la historia del metabolismo desde la Tierra primordial hasta nuestros días (de izquierda a derecha). La historia del descubrimiento de compuestos a lo largo del tiempo (línea blanca) es cíclica, casi parecida a un electrocardiograma. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Francis Reddy/NASA/ESA

Un nuevo estudio muestra que se necesitan algunas reacciones bioquímicas «olvidadas» para transformar compuestos geoquímicos simples en moléculas complejas 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 pregunta clave es qué parte de la historia de la vida en la Tierra se pierde en el tiempo. Es bastante común que uno especies «eliminar gradualmente» mediante una reacción bioquímica, y si esto sucede en suficientes especies, tales reacciones pueden ser efectivamente «olvidadas» por la vida en la Tierra. Pero si la historia de la bioquímica está llena de reacciones olvidadas, ¿hay alguna forma de saberlo?

Esta pregunta inspiró a investigadores del Instituto de Ciencias de la Tierra y la Vida (ELSI) del Instituto de Tecnología de Tokio y del Instituto de Tecnología de California (CalTech) en Estados Unidos. Razonaron que la química olvidada aparece como discontinuidades o «pausas» en el camino que toma la química desde moléculas geoquímicas simples hasta moléculas biológicas complejas.

Evolución de la bioquímica de la Tierra primitiva

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.

Para construir un modelo de la historia evolutiva del metabolismo a escala de la biosfera, el equipo de investigación compiló una base de datos de 12.262 reacciones bioquímicas de la base de datos de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kioto (KEGG). Crédito: Goldford, JE, Nat Ecol Evol (2024)

Metodología de investigación de la evolución bioquímica

Para modelar la historia de la bioquímica, los investigadores de ELSI (el profesor asociado especialmente designado Harrison B. Smith, el profesor asociado especialmente designado Liam M. Longo y el profesor asociado Shawn Erin McGlynn, en colaboración con el científico de investigación Joshua Goldford de CalTech) necesitaban un inventario de todas las reacciones bioquímicas conocidas, para comprender qué tipos de vida química es capaz de llevar a cabo.

Recurrieron a la base de datos de la Enciclopedia de genes y genomas de Kioto, que catalogaba más de 12.000 reacciones bioquímicas. Con las reacciones en la mano, comenzaron a modelar el desarrollo gradual del metabolismo.

Desafíos en el modelado de la evolución metabólica

Los intentos anteriores de modelar la evolución del metabolismo de esta manera habían fracasado consistentemente en producir las moléculas complejas más extendidas utilizadas por la vida contemporánea. Sin embargo, el motivo no estaba del todo claro. Como antes, cuando los investigadores ejecutaron su modelo, descubrieron que sólo se podían producir unos pocos compuestos.

Una forma de evitar este problema es detener la química proporcionando manualmente compuestos modernos. Los investigadores eligieron un enfoque diferente: querían determinar cuánto reacciones faltaban. Y su búsqueda los llevó de nuevo a una de las moléculas más importantes de toda la bioquímica: el trifosfato de adenosina (ATP).

La Congestión ATP y su Resolución

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. El ATP, sin embargo, tiene una propiedad única: Las reacciones que forman ATP requieren ATP.. En otras palabras, a menos que el ATP ya esté presente, la vida actual no tiene otra manera de producir ATP. Esta dependencia cíclica fue la razón por la que el modelo se estaba estancando.

¿Cómo se puede solucionar este «cuello de botella del ATP»? Resulta que la porción reactiva del ATP es muy similar al compuesto inorgánico polifosfato. Al permitir que las reacciones que generan ATP utilicen polifosfato en lugar de ATP (modificando sólo ocho reacciones en total) se puede lograr casi todo el metabolismo central contemporáneo. Luego, los investigadores pueden estimar las edades relativas de todos los metabolitos comunes y hacer preguntas específicas sobre la historia de las vías metabólicas.

Vías metabólicas: lineales versus mosaicos

Una de esas preguntas es si las vías biológicas se construyeron de manera lineal -en la que una reacción tras otra se añade secuencialmente- 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 cuantificar esto y descubrieron que ambos tipos de vías son casi igualmente comunes en todo el metabolismo.

Conclusión e implicaciones

Pero volvemos a la pregunta que inspiró el estudio: ¿cuánta bioquímica se pierde con el tiempo? «Quizás nunca lo sepamos exactamente, pero nuestra investigación ha arrojado una evidencia importante: sólo se necesitan ocho reacciones nuevas, todas ellas parecidas a reacciones bioquímicas comunes, para conectar la geoquímica y la bioquímica», dice Smith.

«Esto no prueba que el espacio faltante en la bioquímica sea pequeño, pero sí muestra que incluso reacciones extintas pueden redescubrirse a partir de pistas dejadas en la bioquímica moderna», concluyó Smith.

Referencia: «La biosíntesis de purinas primitivas vincula la geoquímica antigua con el metabolismo moderno» por Joshua E. Goldford, Harrison B. Smith, Liam M. Longo, Boswell A. Wing y Shawn Erin McGlynn, 22 de marzo de 2024, Naturaleza Ecología y Evolución.
DOI: 10.1038/s41559-024-02361-4