29/Nov/06

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La vida se podría haber formado sobre cristales

En la última mitad del siglo XX, los investigadores descubrieron que las superficies minerales pueden haber desempeñado un papel crítico en la organización y activación de las moléculas que se convirtieron en los ingredientes esenciales para la vida, tal como los aminoácidos (los bloques de construcción de las proteínas) y ácidos nucleicos (que son la esencia del ADN).

¿Pero cuáles, de las incontables posibilidades de combinación entre biomoléculas y superficies minerales, fueron las más importantes en esta evolución?

Esta pregunta ha sido una espina en la mente de los científicos durante años, debido a la gran cantidad de posibilidades.

Recientemente, un equipo interdisciplinario de investigadores dirigido por Robert Hazen, del laboratorio geofísico de la institución Carnegie y anterior presidente de la sociedad mineralógica de Norteamérica, ha desarrollado nuevos protocolos y procedimientos para adaptar la tecnología de microarray de ADN (también llamada tecnología de biochip) para que sirva para identificar con rapidez las combinaciones más prometedoras de asociaciones molécula / mineral.

Hazen describe este trabajo en el ejemplar de noviembre / diciembre de la publicación American Mineralogist (Mineralogista Norteamericano). El científico realizó un estudio con el que identificó los procesos que causaron que los minerales hayan "incitado" la transición desde un mundo geoquímico a uno biológico hace casi cuatro mil millones años.

Los científicos tienen conocimiento de varios pasos en el origen de la vida, en especial cómo se podrían haber formado las primeras moléculas orgánicas. De hecho, se piensa ahora que los procesos de síntesis prebiótica pueden haber sido tan fructíferos que la antigua Tierra debe haber tenido una variedad mucho mayor del tipo de moléculas que se podían utilizar para dar existencia a las formas originales de vida.

Una de las preguntas más importantes en la investigación de los orígenes, por lo tanto, es cómo fue seleccionada, concentrada y organizada la mezcla crítica y correcta de biomoléculas a partir de la variada sopa primordial.

Una investigación anterior de este mismo equipo científico y de otros de Carnegie mostró que muchas moléculas, incluyendo los aminoácidos, se pueden adherir a las superficies minerales, lo que ayuda a que se produzcan otras reacciones orgánicas. Por esta razón se comenzó a estudiar más intensamente las interacciones de las superficies con las moléculas.

Los científicos sospechan que el material orgánico llegó a la Tierra a partir de muchas fuentes complementarias. En el espacio profundo se forman sin cesar abundantes biomoléculas en nubes moleculares, y estos compuestos extraterrestres deben haber caído como una lluvia sobre la Tierra primigenia. La radiación ultravioleta en la atmósfera, las descargas eléctricas de rayos, el calor de las reacciones volcánicas y las reacciones químicas en la profundidad de los océanos crearon más moléculas. Algunos de estos bloques de construcción de la vida fueron atraídos a determinadas superficies minerales, donde se juntaron y, concentrados, experimentaron otras reacciones.

"Las proteínas esenciales para la vida se forman con unos 20 aminoácidos distintos", explica Hazen. "Un capricho de la naturaleza es que los aminoácidos tengan dos formas, que son imágenes espejo una de otra: moléculas diestras y siniestras, o de doble quiralidad. La vida es resultado de la utilización de las variedades izquierdas, casi exclusivamente. Los procesos no-biológicos, sin embargo, por lo general no distinguen entre las variantes izquierda y derecha. Para que ocurra una transición desde una era química a una biológica tuvo que existir algún proceso que separara y concentrara los aminoácidos izquierdos y derechos. Este paso, llamado selección quiral, fue crucial para formar las moléculas de la vida".

Como los aminoácidos, algunos minerales poseen pares de superficies cristalinas que tienen una relación de espejo una con otra, llamadas caras izquierdas y derechas. La calcita es un mineral común en la actualidad y era frecuente durante la era Arcaica, en la que emergió la vida. En 2001 Hazen y sus colegas realizaron los primeros experimentos que demostraron que la forma zurda del aminoácido ácido aspártico se adhiere con preferencia a la cara izquierda de la calcita. Ese estudio confirmó anteriores propuestas teóricas que decían que existía la posibilidad de un proceso por el que se podrían concentrar y seleccionar, en una superficie mineral, los aminoácidos derecho e izquierdo, ambos disponibles en la sopa primordial.

Quedó instalado así el desafío de determinar cuáles de las incontables interacciones superficie / biomolécula eran las candidatas más probables para producir los primeros pasos hacia la vida.

Las "superficies cristalinas son complicadas", explica Hazen. "Tienen grietas y cráteres y raramente son planas. Necesitamos encontrar qué tipos de superficies son mejores "muelles de atraque" para las diversas biomoléculas. El problema es que hay centenares de tipos de superficies minerales y millares de moléculas prebióticas plausibles, los que da millones de pares posibles de biomolécula / mineral. Es un número aplastantemente grande de posibilidades".

Los microarrays de ADN ofrecen el medio de tratar este problema. Los microarrays se producen de manera robótica, colocando decenas de miles de gotitas microscópicas de ADN de igual cantidad de genes sobre una placa, lo que permite que los científicos observen qué genes se activan. Esta tecnología en rápido desarrollo se puede utilizar para identificar, por ejemplo, los genes implicados en una enfermedad. Es un proceso de alto rendimiento que ha revolucionado la investigación de biotecnología.

Hazen, trabajando con el científico Andrew Steele del personal de Carnegie y su equipo, ha desarrollado modificaciones de esta herramienta que sirven para estudiar las interacciones molécula / mineral. Los científicos han ideado protocolos para limpiar las superficies minerales, salpicar las superficies con hasta 96 diversas especies orgánicas, lavar las superficies para quitar las moléculas que no se adhieren a la superficie mineral, y localizar las moléculas restantes, que se han fijado.

"Para descubrir qué moléculas se pegan y cuáles no lo hacen", dice Hazen, "los científicos de Carnegie también están colaborando con un equipo se la institución Smithsoniana conducido por Edward Vicenzi para emplear un caballito de batalla de la química llamado ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, algo así como —y me perdonarán los especialistas si la traducción es otra— Espectrometría de tiempo-de-vuelo de Masa Iónica Secundaria). El instrumento efectivamente quema con partículas ionizadas una muestra de fragmentos de la primera capa de superficie unidos a las moléculas orgánicas. El espectrómetro de masa permite que los investigadores determinen qué hay allí. "ToF-SIMS también permitirá que detectemos las moléculas orgánicas que se unen con más fuerza a las superficies minerales", comentó Hazen.

"En muchos sentidos, la solución de Hazen abrevia las búsquedas para tratar este problema", dice Patricia Dove, profesora de geoquímica en el Tecnológico de Virginia. "Adaptando el método de microarray de la biología molecular, su grupo de investigación puede identificar hasta un millón de tipos de biomoléculas muy rápidamente para así saber cuáles tienen las interacciones más fuertes con las superficies minerales. Esto no es todo, otro avance real es el analizar sus experimentos con el ToF-SIMS. Esto elimina la necesidad de usar etiquetas químicas que pueden tener características que influencien los resultados".

David Deamer, profesor de química y bioquímica en la Universidad de California en Santa Cruz, comentó que "Audazmente, Bob Hazen está haciendo una pregunta fundamental relacionada con el origen de la vida. Sabemos que había compuestos orgánicos presentes en el ambiente primordial de la Tierra, pero como soluciones diluidas de millares de diversas especies en los mares globales. ¿Cómo fueron seleccionadas las clases específicas de orgánicos que se montaron en las primeras formas de vida, y por qué proceso se concentraron lo suficiente como para iniciar una versión primitiva de metabolismo?"

"Ahora sabemos que los minerales separan compuestos orgánicos específicos desde la solución, y podemos incluso distinguir entre características sutiles tales como quiralidad, como la unión de un aminoácido zurdo preferentemente en lugar de uno derecho. Éstos son resultados muy significativos, que están dirigiendo mi propia investigación así como la de muchos otros investigadores en el campo".

Una vez que Hazen y sus compañeros de trabajo hayan identificado los pares molécula / superficie de interés con el microarray de ADN y el ToF-SIMS, se puede utilizar un arsenal de otras técnicas para observar los detalles de las interacciones.

"Lo que más me agrada de esta investigación es que es un esfuerzo interdisciplinario de diversas áreas de la ciencia, la biología, la química y la geología", señala Hazen. "Esto nos une a todos en la búsqueda de una respuesta a la pregunta que ha cautivado a la humanidad desde el nacimiento de la conciencia: ¿Cómo llegamos aquí?".

Fuente: Astrobiology. Traducido por Eduardo J. Carletti