El Origen del Metabolismo

Por: Resonance Science Foundation

Una de las grandes cuestiones de la ciencia es cómo surgió la vida a partir de entornos ostensiblemente abióticos. ¿Qué delimita la transición de la materia prebiótica a los sistemas vivos? ¿Qué entornos pudieron propiciar un circuito químico tan complejo? La vida biológica se sustenta en tres pilares principales: (1) Replicación: un sistema molecular capaz de codificar información, sobre todo su propia reproducción; (2) Síntesis: la maquinaria molecular para leer y ejecutar la información codificada para ensamblar nuevas piezas y replicarse; y (3) Metabolismo: la capacidad de extraer energía del entorno para impulsar procesos alejados del equilibrio, incluida la síntesis química de "bloques de construcción" moleculares.

Una explicación popular de la aparición de los primeros replicadores químicos se conoce como la "hipótesis del mundo del ARN". El ácido ribonucleico es un polímero capaz de codificar información en su secuencia de ácido nucleico y de realizar catálisis enzimática, por lo que podría haber servido de enlace único entre los procesos de replicación y de síntesis. Esto es atractivo porque se necesita la molécula de información para producir fielmente la nanomáquina del metabolismo, en particular la enzima que realiza la replicación, pero a su vez se necesita una enzima para producir la molécula de información. La molécula de ARN podría servir de enlace entre estos dos ámbitos: la replicación y la síntesis.

Sin embargo, hay problemas con la hipótesis del mundo del ARN que parecen indicar que no explica adecuadamente los primeros pasos en la aparición de los sistemas vivos. Uno de los principales problemas de la hipótesis es la generación de ribonucleótidos para empezar, y su polimerización en una macromolécula de enlace covalente. Ambos son procesos químicos de alta energía, y es difícil imaginar cómo se producirían sin una fuente abundante y reponedora de ribonucleótidos y un proceso que impulse su polimerización, es decir, un metabolismo primordial.

Esto se conoce como la hipótesis del "metabolismo primero". Antes de la molécula de información y del replicador, hubo un metabolismo prebiótico capaz de generar los bloques de construcción necesarios para estos sistemas, así como las moléculas de alta energía para impulsar las reacciones de no equilibrio. El Dr. Gerald Pollack, famoso por sus trabajos sobre el agua estructurada, ha descrito los procesos por los que las primeras moléculas orgánicas podrían haberse concentrado lo suficiente como para permitir una síntesis y replicación sostenidas: las primeras células. El agua estructurada podría haber formado estructuras microscópicas similares a un gel que funcionaban con el doble papel de un antiguo precitoplasma y una capa límite con el entorno externo de mayor entropía. 

La hipótesis de Pollack explica cómo se logró el secuestro y la concentración de antiguas moléculas orgánicas, pero todavía necesitamos una explicación de cómo se generaron los metabolitos centrales prebióticos necesarios para un metabolismo primordial, y un nuevo informe tiene pruebas experimentales de ese mecanismo.

Un equipo de científicos de la Universidad de Kentucky y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, y de la Universidad McGill, en Canadá, ha publicado un artículo en el que se describe una conexión entre la fotosíntesis prebiótica del ZnS y la replicación de la arcilla.  El trabajo ha relatado cómo los metabolitos prebióticos disponibles a partir de simples reacciones promovidas por la luz solar pueden catalizar la síntesis de minerales de arcilla (por ejemplo, una arcilla de zinc llamada sauconita). El trabajo muestra que metabolitos centrales como el succinato y el malato pueden permitir el proceso de nucleación para la formación de arcilla. Estos metabolitos prebióticos se han generado mediante fotocatálisis con ZnS, y este trabajo demuestra cómo pueden catalizar la síntesis de arcillas.

Esto describe cómo las redes metabólicas primordiales y la catálisis de los minerales de arcilla coevolucionaron, apoyándose y retroalimentándose mutuamente para impulsar la formación de las moléculas orgánicas necesarias para la vida. El mecanismo de la fotoquímica promovida por los semiconductores habría desempeñado entonces un papel importante en la promoción de reacciones que, de otro modo, no se verían favorecidas, proporcionando la base del complejo metabolismo actual.

El sistema vivo desempeña un papel integral en las operaciones de retroalimentación que informan al sistema mayor sobre cómo organizarse y desarrollarse. De este modo, la vida y la sensibilidad son aspectos funcionales del universo. Entender cómo surge la vida en el universo es, por tanto, un aspecto clave de una teoría unificada y plenamente coherente del todo.

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