Descifrando los orígenes de la vida utilizando pistas bioquímicas faltantes

El metabolismo es el «corazón palpitante de la célula». Una nueva investigación de ELSI rastrea la historia del metabolismo desde la Tierra primitiva hasta la era moderna (de izquierda a derecha). La historia de la detección de compuestos a lo largo del tiempo (línea blanca) es cíclica, casi como un electrocardiograma. Crédito de la imagen: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Francis Ready/NASA/ESA

Un nuevo estudio muestra que sólo se necesitan unas pocas 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. La pregunta principal es: ¿cuánto de la historia de la vida en la Tierra se ha perdido con el tiempo? Es muy común que una sola persona Clasificar Para «eliminar progresivamente» el uso de una reacción bioquímica, y si esto ocurriera en suficientes especies, tales reacciones podrían efectivamente ser «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 Tecnológico de Tokio y del Instituto Tecnológico de California (CalTech) en Estados Unidos. Creían que la química olvidada aparecería como discontinuidades o “rupturas” en el camino que sigue 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 existen en la actualidad. Estos procesos representan las vías metabólicas más antiguas.

Momento de la aparición de 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). Fuente: Goldford, J.E., Nat Evol Evol (2024)

Metodología de la investigación en el desarrollo de la bioquímica.

Para modelar la historia de la bioquímica, los investigadores de ELSI (el profesor asociado Harrison B. Smith, y el profesor asociado especialmente designado Liam M. Longo y el profesor asociado Sean Erin McGlynn, en colaboración con el científico investigador Joshua Goldford del Instituto de Tecnología de California, crearon un inventario de bioquímica. Todas las reacciones bioquímicas conocidas, para comprender los tipos de química de los que es capaz la vida.

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

Desafíos en el modelado de la evolución metabólica.

Los intentos anteriores de modelar la evolución del metabolismo de esta manera han fracasado consistentemente en producir las moléculas más extendidas y complejas utilizadas por la vida moderna. Sin embargo, el motivo no estaba del todo claro. Como antes, cuando los investigadores ejecutaron su modelo, descubrieron que sólo se podía producir una pequeña cantidad de compuestos.

Una forma de evitar este problema es catalizar la química estancada suministrando manualmente compuestos nuevos. Los investigadores eligieron un enfoque diferente: querían determinar cuántos había Interacciones Estaba desaparecido. Su investigación los llevó a una de las moléculas más importantes de la bioquímica: el trifosfato de adenosina (ATP).

Cuello de botella de ATP y su solución

El ATP es la moneda energética de la célula porque puede usarse para catalizar reacciones (como la construcción de proteínas) que no ocurren en el agua. Sin embargo, el ATP tiene una propiedad única: Las reacciones que forman ATP requieren ATP.. En otras palabras, a menos que ya exista ATP, no hay otra manera en la vida actual de producir ATP. Esta dependencia cíclica fue la razón por la que el modelo se detuvo.

¿Cómo se puede solucionar este «cuello de botella del ATP»? Resulta que la porción reactiva del ATP es notablemente similar a un compuesto de polifosfato inorgánico. Al permitir que las reacciones que generan ATP utilicen polifosfatos en lugar de ATP (modificando sólo ocho reacciones en total), casi todos los procesos metabólicos básicos modernos son posibles. Luego, los investigadores pueden estimar las edades relativas de todos los metabolitos comunes y hacer preguntas específicas sobre la historia de las vías metabólicas.

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Vías metabólicas: lineal versus mosaico

Una de esas preguntas es si las vías biológicas se construyeron de manera lineal (una reacción tras otra se agrega de manera secuencial) o si las interacciones de las vías surgieron como un mosaico, donde las interacciones de edades muy diferentes se unen para formar la formación de algo nuevo. Los investigadores pudieron medir esto y descubrieron que ambos tipos de vías son casi igualmente comunes en todos los procesos metabólicos.

Conclusión e implicaciones

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

«Esto no prueba que el área faltante en la bioquímica sea pequeña, pero sí muestra que incluso las reacciones que se han extinguido pueden redescubrirse a través de las pistas dejadas por la bioquímica moderna», concluye Smith.

Referencia: “La biosíntesis primitiva de purinas vincula la geoquímica antigua con el metabolismo moderno” por Joshua E. Goldford, Harrison B. Smith, William M. Longo, Boswell A. Wing y Shun Erin McGlynn, 22 de marzo de 2024, Ecología de la naturaleza y evolución..
doi: 10.1038/s41559-024-02361-4

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