Estos experimentos tratan de desvelar la facilidad con que surge la vida

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En una mesa de laboratorio, una serie de viales de vidrio pegados con cinta adhesiva a un balancín se mueven suavemente en un vaivén constante. Dentro de los viales, una mezcla de sustancias químicas orgánicas y diminutas partículas de ‘oro de los tontos’ están tratando de responder a una pregunta que parece esconderse bajo su humilde apariencia: ¿De dónde proviene la vida?

Combinando teoría con experimentos, los científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison (UW-Madison), en Estados Unidos, están tratando de entender cómo pudo surgir la vida de lo inerte. Investigadores del UW-Madison Wisconsin Institute for Discovery (WID) están llevando a cabo experimentos para examinar la idea que dice que, bajo las condiciones adecuadas, se pueden desarrollar con facilidad reacciones químicas relacionadas con la vida. El estudio aborda algunos de los misterios más profundos de la biología, y tiene implicaciones para entender cómo de común podría ser la vida en el universo.

David Baum, presidente y profesor de botánica en UW-Madison y miembro del Discovery en WID, piensa que la vida más temprana podría haberse basado en un metabolismo primitivo que originalmente comenzó en las superficies de los minerales. Muchas de las reacciones principales de las células modernas dependen de catalizadores de hierro y azufre. Esta dependencia del hierro y el azufre podría ser un registro grabado en las células de los entornos donde el metabolismo en sí mismo evolucionó por primera vez. Baum está probando esta idea centrándose en la pirita de hierro, un mineral de hierro y azufre conocido popularmente como el ‘oro de los tontos’.

(Imagen ampliable) Estos viales contienen una mezcla componentes químicos orgánicos simples y de partículas microscópicas de pirita (oro de los tontos) y se encuentran pegados con cinta a un basculante en el laboratorio de Baum en el Institute for Discovery de la Universidad de Wisconsin-Madison. Imagen: Eric Hamilton

Baum está mezclando, junto con Mike Berg, un estudiante de posgrado que investiga los orígenes de la vida, perlas microscópicas de pirita de hierro con una fuente de energía química y simples bloques de construcción molecular [en una solución con agua, sin la que, como explicamos aquí, probablemente no pueda surgir la vida]. A medida que los frascos de esta mezcla se balancean hacia adelante y hacia atrás en el laboratorio, puede que conglomerados de pequeños grupos de productos químicos unidos a la superficie mineral empiecen a colaborar y a producir de manera conjunta más productos químicos. Si es así, bien podrían propagarse a otras partículas de pirita de hierro, colonizando nuevas superficies.

Cuando Berg transfiere algunas de estas partículas a un vial nuevo, los grupos químicos podrían continuar propagándose. Generación tras generación, vial tras vial, las mezclas químicas más eficientes y competitivas terminarían por colonizar la mayor parte de la pirita de hierro. Esto es selección. Al igual que la selección natural, que ha creado la diversidad y complejidad de la vida en la Tierra, la selección en la capacidad colonizadora de estos grupos químicos puede revelar ciclos químicos, semejantes a los que encontramos en la vida, capaces de cambiar con el tiempo.

“La visión que he albergado desde hace un tiempo a es que la química de la vida podría surgir fácilmente en muchos, muchos escenarios geológicos,” dice Baum. “El problema entonces cambia. Ya no es un problema de ‘¿sucederá?’, sino ¿cómo sabremos que sucedió?”

Han pasado por más de 30 generaciones hasta ahora, y están buscando cualquier señal de cambio en el tiempo, ya sea la generación de calor, el consumo de energía o la cantidad de material unido a las partículas.

Baum y Kalin Vetsigian, microbiólogo en UW-Madison y biólogo de sistemas de WID, publicaron un artículo el año pasado donde se esbozaron los experimentos, que están basados ​​en parte en el principio de la selección local. Normalmente, la selección natural opera sobre una población de individuos. Pero los científicos propusieron que aunque no existan individuos bien definidos en las mezclas químicas, prevalecerán las comunidades moleculares más aptas en la colonización de nuevas superficies, y probablemente mejorarán con el tiempo. Los rasgos más exitosos de una comunidad pueden ser seleccionados y legados.

“Esta selección a nivel comunitario podría haber sido la que tuvo lugar antes de que hubiera individuos con rasgos que pudieran heredarse y que fueran variables”, dice Vetsigian. “Si te haces con comunidades capaces, persistirán”.

El proyecto recibió recientemente 2,5 millones de dólares en fondos de la NASA. Baum es el investigador principal de la investigación, que incluye a Vetsigian, Tehshik Yoon, químico de UW-Madison, y colaboradores de otras siete instituciones.

(Imagen ampliable) Diagrama de las moléculas de aminoácidos glicina y alanina.

Las células necesitan los tipos de reacciones metabólicas que está estudiando Baum para producir energía y componentes de las moléculas más complejas. También necesitan una forma de almacenar la información. Todas las células vivas pasan su información genética a través del ADN. Pero John Yin, profesor de ingeniería química y biológica de UW-Madison y biólogo de sistemas de WID, está explorando maneras alternativas de almacenar y de procesar la información con moléculas más simples en un esfuerzo por entender cómo el almacenaje de información podría evolucionar sin células o ADN [o, como mostramos aquí, sin ARN, que podría haber sido la primera molécula capaz de autorreplicarse].

Utilizando la informática como ejemplo, Yin está trabajando con el método más básico para codificar información, el binario. En lugar de bits electrónicos, sus unos y ceros son los dos aminoácidos más simples, la glicina y la alanina. Mediante el uso de una forma única de química, Yin está secando mezclas de estos aminoácidos para fomentar la unión entre ellos.

“Estamos viendo la reproducibilidad de diferentes cadenas de alanina y glicina en diferentes tipos de condiciones”, explica Yin. “Esta es una primera pista de que, en cierta forma, el producto es una forma de representar un entorno específico”. [Es por esto que no nos sorprende que, como explicamos en esta historia, la vida en la Tierra haya surgido en condiciones muy pobres de oxígeno.]

El grupo de Yin está trabajando en la técnicamente difícil tarea de leer estas secuencias de aminoácidos para poder seguir la pista de la información molecular. El laboratorio de Yin eventualmente espera descubrir los grupos de químicos que puedan trabajar con esta información molecular para reproducirse. Para Baum y Yin, los sistemas seleccionables requieren que estos ciclos de productos químicos sean capaces de producir más de cada uno, lo que Yin llama “cerrar el bucle”.

Es posible que cerrar el bucle en el laboratorio sea difícil. Sólo la experimentación lo dirá con certeza.

Yin, Baum y Vetsigian están interesados no sólo en cómo se inició la vida en la Tierra, sino en cómo podría empezar en cualquier lugar. Si es posible hacer que se produzcan fácilmente reacciones químicas como las que se dan en la vida e información molecular en el laboratorio, eso podría cambiar nuestra comprensión sobre cómo podría ser de común la vida en otros mundos.

“Si encontramos muchos tipos de química diferente que permiten reacciones como las que se dan en la vida, podemos esperar que existan más orígenes de la vida en otras partes del universo”, dice Baum.

Artículo original publicado por la Universidad de Wisconsin-Madison. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-04-10T13:49:46+00:00