MADRID, 2 Mar. (EUROPA PRESS) -
Un misterio sobre el origen de la vida es cómo el fosfato se convitió en componente esencial de la maquinaria celular, dada su poco accesibilidad en la Tierra primitiva.
En un estudio que se publica en la revista 'Cell', investigadores utilizaron enfoques de biología de sistemas para abordar este viejo enigma, proporcionando pruebas convincentes y basadas en datos de que las formas de vida primitivas pueden no haber dependido del fosfato.
En cambio, unas pocas moléculas simples y abundantes podrían haber sustentado la aparición de un metabolismo libre de fosfatos basado en el azufre, que se expandió para formar una rica red de reacciones bioquímicas capaces de soportar la síntesis de una amplia categoría de biomoléculas clave.
"La importancia de este trabajo es que los esfuerzos futuros para entender el origen de la vida deben tener en cuenta la posibilidad concreta de que los procesos basados en fosfatos, que son esenciales hoy en día, podrían no haber existido cuando comenzaron a surgir los primeros procesos similares a la vida", explica el autor del estudio Daniel Segrè, de la Universidad de Boston, en Estados Unidos.
"En principio, es viable un metabolismo temprano independiente del fosfato capaz de producir varios bloques de construcción clave de sistemas vivos", añade.
El fosfato es esencial para todos los sistemas vivos y está presente en una gran proporción de biomoléculas conocidas. Un esqueleto de azúcar-fosfato forma el marco estructural de los ácidos nucleicos, incluyendo el ADN y el ARN.
Además, el fosfato es un componente crítico del trifosfato de adenosina (ATP), que transporta la energía química dentro de las células, y un compuesto llamado NADH, que tiene varios papeles esenciales en el metabolismo. Pero no está claro cómo el fosfato podría haber asumido estos papeles centrales en la Tierra primordial, dada su escasez y su mala accesibilidad.
A la luz de este rompecabezas, algunos han propuesto que las vías metabólicas tempranas no se basan en el fosfato. En muchos de estos escenarios, se cree que el azufre y el hierro que se encuentran en las superficies minerales han cumplido las principales funciones catalíticas y energéticas antes de la aparición del fosfato.
Un escenario destacado del origen de la vida sugiere que el papel del ATP fue originalmente asumido por compuestos azufrados llamados tioésteres, que están ampliamente involucrados en el metabolismo de proteínas, carbohidratos y lípidos. A pesar de la disponibilidad de hierro y azufre en la Tierra temprana, la evidencia concreta que apoya estos escenarios ha sido escasa.
LA BIOQUÍMICA MODERNA SURGIÓ DE LA GEOQUÍMICA MINERAL
Para probar la viabilidad de la "hipótesis del mundo hierro-azufre" y el "escenario mundial tioéster", Segrè y su equipo utilizaron enfoques de biología de sistemas computacionales originalmente desarrollados para análisis a gran escala de redes metabólicas complejas. Emplearon una gran base de datos para ensamblar el conjunto completo de todas las reacciones bioquímicas conocidas. Después de explorar este llamado "metabolismo a nivel de biosfera", los investigadores identificaron un conjunto de ocho compuestos libres de fosfato que se cree que estuvieron disponibles en ambientes prebióticos.
A continuación, los científicos utilizaron un algoritmo que simula la aparición de redes metabólicas primitivas mediante la recopilación de todas las posibles reacciones que podrían haber tenido lugar en presencia de estos ocho compuestos, que eran: formiato, acetato, sulfuro de hidrógeno, amonio, dióxido de carbono, agua, bicarbonato y gas nitrógeno.
Este análisis reveló que unos cuantos compuestos prebióticos simples podrían apoyar la aparición de una red metabólica rica en fosfatos independientes. Esta red central, que consta de 315 reacciones y 260 metabolitos, fue capaz de sustentar la biosíntesis de una amplia categoría de biomoléculas clave como aminoácidos y ácidos carboxílicos.
En particular, la red se enriqueció por enzimas que contienen grupos de hierro-azufre, reforzando la idea de que la bioquímica moderna surgió de la geoquímica mineral. Además, los tioésteres, en lugar del fosfato, podrían haber permitido que este metabolismo nuclear superara los cuellos de botella enérgicos y se expandiera en condiciones fisiológicamente realistas.
"Antes de nuestro estudio, otros investigadores habían propuesto una bioquímica temprana basada en azufre, con indicios de que el fosfato podría no haber sido necesario hasta más tarde --relata Segrè--. Lo que faltaba hasta ahora era la evidencia basada en datos de que estos procesos tempranos, en lugar de reacciones dispersas, podrían haber constituido una red metabólica primitiva muy conectada y relativamente rica".
LOS ÁCIDOS NUCLEICOS, UN POSIBLE RESULTADO DE PROCESOS EVOLUTIVOS
Aunque esta evidencia no experimental no demuestra definitivamente que la vida comenzó sin fosfato, proporciona un apoyo convincente A la hipótesis del mundo hierro-azufre y el escenario mundial tioéster. Al mismo tiempo, pone en tela de juicio la "hipótesis del mundo ARN", que propone que las moléculas de ARN auto-replicantes fueron los precursores de toda la vida actual en la Tierra.
Los resultados apoyan la "primera hipótesis del metabolismo", que postula que una red metabólica auto-mantenida libre de fosfato precedió a la aparición de ácidos nucleicos. En otras palabras, los ácidos nucleicos podrían haber sido un resultado de procesos evolutivos tempranos más que un prerrequisito para ellos.
"La evidencia de que un metabolismo temprano podría haber funcionado sin fosfato indica que el fosfato puede no haber sido un ingrediente esencial para el inicio de la vida celular", subraya el primer autor de este trabajo Joshua Goldford, de la Universidad de Boston.
"Este sistema proto-metabólico habría requerido una fuente de energía y podría haber emergido ya sea en la superficie de la Tierra, con la energía solar como la principal fuerza motriz, o en la profundidad de los océanos cerca de respiraderos hidrotermales, donde los gradientes geoquímicos podrían haber impulsado los primeros procesos similares a la vida", explica. En estudios futuros, los investigadores seguirán aplicando enfoques de biología de sistemas para estudiar el origen de la vida.
