Un experimento químico que invita a repensar los orígenes de la vida en la Tierra

Markus Ralser nunca tuvo la intención de estudiar el origen de la vida. Su investigación se centró principalmente en cómo las células se alimentan a sí mismas y cómo estos procesos pueden fallar en organismos que están estresados ​​o enfermos. Pero hace aproximadamente una década, por pura casualidad, Ralser y su equipo hicieron un descubrimiento impactante.

El grupo, cuya sede actual está en la Universidad de Cambridge (Reino Unido), estaba estudiando la glucólisis, un proceso que descompone el azúcar en una serie de reacciones químicas, liberando energía que las células pueden usar.

Cuando utilizaron técnicas sensibles para rastrear los muchos pasos del proceso, se sorprendieron al descubrir que algunas de las reacciones parecían estar “sucediendo espontáneamente”, dice Ralser, miembro del Instituto Francis Crick en Londres. En los experimentos de control que carecían de algunas de las moléculas requeridas para las reacciones, partes de la glucólisis estaban ocurriendo de todos modos.

“Es imposible que sea cierto”, recuerda Ralser que le dijeron otros científicos.

Cada célula viva tiene en su núcleo una especie de motor químico. Esto es cierto tanto para una neurona en un cerebro humano como para la bacteria más simple. Estos motores químicos impulsan el metabolismo, los procesos que transforman una fuente de energía en elementos útiles para las células. Según todos los informes, los procesos metabólicos, incluida la glucólisis, requieren una gran cantidad de maquinaria microscópica sofisticada para funcionar. Pero el equipo de Ralser descubrió que uno de estos motores podía funcionar solo, sin varias de las moléculas complejas que los científicos creían que se requerían.

A partir de este inesperado hallazgo, una ola de entusiasmo se ha extendido entre los investigadores que estudian los orígenes de la vida. Después de todo, si esto pudo suceder en un tubo de ensayo, tal vez también pudo haber sucedido hace miles de millones de años en un respiradero volcánico de aguas profundas, en piscinas termales ubicadas sobre la tierra o en algún otro lugar con mucha actividad química y material orgánico. Incluso, es posible que las reacciones metabólicas iniciaran la cadena de eventos que condujo al nacimiento de la vida.

Algunos equipos ya están trabajando para construir estos motores químicos desde cero. Además de la glucólisis, los científicos han recreado partes de otros procesos celulares fundamentales, incluido el ciclo inverso del ácido cítrico o ciclo inverso de Krebs (un proceso metabólico que algunas bacterias utilizan para producir compuestos orgánicos a partir de dióxido de carbono y agua), que se cree que apareció por primera vez en células muy antiguas.

Esta nueva y emocionante área de investigación hace que los científicos reconsideren los pasos que podrían haber llevado al primer organismo vivo y los ha obligado a enfrentar una vez más una pregunta de larga data: ¿Cómo definimos la vida en primer lugar?

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Orígenes enigmáticos

Cómo comenzó la vida es uno de los misterios más destacados de la ciencia. Se sabe que sucedió temprano en la historia de nuestro planeta, porque hay microorganismos fósiles en las rocas depositadas hace 3.500 millones de años, apenas mil millones de años después de la formación de la Tierra. Pero cómo y dónde sucedió siguen siendo inciertos.

Un problema clave es que los organismos vivos son extraordinariamente complicados. Incluso la célula bacteriana más simple tiene cientos de genes y miles de moléculas diferentes. Todos estos bloques de construcción trabajan juntos en un baile intrincado, transportando alimentos a la célula y eliminando desechos, reparando daños, copiando genes y mucho más.

La escala de esta complejidad se ilustra en una investigación publicada en 2021 que compara el ADN de 1.089 bacterias, que son los organismos vivos más simples. Los investigadores, dirigidos por la bioingeniera Joana C. Xavier, que en ese momento trabajaba en la Universidad Heinrich Heine, en Düsseldorf (Alemania), buscaron familias de proteínas que fueran comunes a todas las especies de bacterias, ya que es probable que sean realmente antiguas, con más de tres mil millones de años hasta el último ancestro común de todas las bacterias.

Encontraron 146 familias de proteínas de este tipo, lo que reveló que incluso las primeras bacterias eran extraordinariamente complejas y el producto de un largo período de evolución.

Todas las hipótesis sobre el origen de la vida intentan despojarse de esta complejidad e imaginar algo mucho más simple que podría haber surgido espontáneamente. La dificultad está en decidir cómo habría sido esta protovida. ¿Qué partes de las células vivas que vemos hoy en día fueron las primeras en formarse?

Se han presentado muchas ideas, incluida una molécula que puede copiarse a sí misma, como una cadena de ARN, o una “burbuja” o “mancha” de grasa que podría haber actuado como la estructura fundamental de una célula. Pero un grupo creciente de científicos cree que antes de los genes o las paredes celulares, lo primero que necesitaba la vida era un motor.

El primer metabolismo

La vida es fundamentalmente activa. Incluso en organismos aparentemente estacionarios como los árboles, existe una furiosa actividad a escala microscópica.

Xavier, que ahora trabaja en el University College de Londres, comparó una célula viva con un vaso de agua con un agujero en el fondo y un grifo que vierte agua. Si los dos flujos son iguales, el volumen de agua en el vaso permanece igual, “pero hay una transformación en marcha”.

De manera similar, todo ser vivo toma nutrientes y los usa para construir y reparar su cuerpo. Para los humanos, eso significa comer alimentos y luego usar nuestro sistema digestivo para descomponerlos en sustancias químicas simples que nuestros cuerpos pueden usar.

Otros organismos obtienen su energía de la luz solar o de sustancias químicas como el metano, pero se aplica el mismo principio. Miles de reacciones transforman constantemente una sustancia en otra y llevan las cosas a donde se necesitan. Todos estos procesos componen el metabolismo de un organismo. Si el metabolismo se detiene, el organismo muere.

La química del metabolismo es tan central para la vida que muchos investigadores creen que debe haber estado en el centro de las primeras células vivas. Una vez que un motor metabólico estuviera en funcionamiento, se piensa, podría crear los otros químicos que la vida necesita y gradualmente las células se autoensamblarían, dice Joseph Moran de la Universidad de Estrasburgo, en Francia.

Sin embargo, todas las hipótesis que apuntan al metabolismo como el punto de partida para el origen de la vida enfrentan el mismo problema: el metabolismo, como la vida misma, es notablemente complejo. En su estudio sobre el último ancestro común bacteriano, Xavier estimó que los genes de este antiguo organismo podrían producir 243 sustancias químicas a través de procesos metabólicos, así como transformar las sustancias químicas entre sí.

Incluso las vías individuales del metabolismo son complejas. Basta con tomar el ciclo del ácido cítrico, o ciclo de Krebs, que es una de las formas en que las células pueden extraer energía de los nutrientes. Como sugiere su nombre, comienza con ácido cítrico, el químico que le da a los cítricos su sabor fuerte. Esto se convierte en una segunda sustancia llamada cis-aconitato y luego en otras siete sustancias químicas antes de que el último paso vuelva a crear el ácido cítrico. En el camino, se produce una gran cantidad de químicos biológicos que se distribuyen al resto de la célula.

Es difícil imaginar cómo un proceso tan complejo pudo haber comenzado por sí solo. Para complicar aún más las cosas, cada paso está controlado por una molécula llamada enzima, que acelera las reacciones químicas en cuestión. Para que un proceso como el ciclo de Krebs funcione, se requieren enzimas. Pero las enzimas son moléculas complicadas que solo se pueden producir a través del metabolismo, bajo el control de los genes.

Entonces, los científicos se enfrentan con el dilema bioquímico del huevo o la gallina: ¿qué fue primero, el motor químico para construir la célula o los mecanismos celulares necesarios para construir el motor?

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Poner en marcha los motores de la vida

Después de que Ralser y su equipo hicieran su descubrimiento inicial a principios de la década de 2010, decidieron investigar más a fondo las reacciones metabólicas que podrían funcionar por sí solas. Disolvieron 12 químicos diferentes que se usan en la glucólisis, cada uno por separado, en agua pura. Luego calentaron las muestras a 70 °C durante cinco horas, imitando las condiciones cercanas a un volcán submarino. Diecisiete reacciones químicas, ya sea de la glucólisis o de una ruta metabólica relacionada, comenzaron a ocurrir en los experimentos.

Luego, Ralser se puso en contacto con Alexandra Turchyn, una geoquímica de la Universidad de Cambridge, quien le dio una lista de sustancias químicas que se cree que se disolvieron en el océano primordial, incluidos metales como el hierro y el sodio. El equipo los agregó a sus mezclas para ver si hacían que las reacciones funcionaran mejor.

“Acertamos con uno, el hierro”, dice Ralser. Para 2014 tenían 28 reacciones en marcha, incluido un ciclo metabólico completo. El equipo se basó en sus resultados iniciales, demostrando en 2017 que podían hacer una versión del ciclo del ácido cítrico impulsado por el sulfato y que podían producir azúcares a partir de sustancias químicas más simples en un proceso llamado gluconeogénesis, aunque este último tenía que hacerse en hielo.

Moran retomó la idea de los ciclos metabólicos sin enzimas en la Universidad de Estrasburgo, en colaboración con su ex alumna Kamila Muchowska. Han logrado avances similares con otros procesos metabólicos, como la acetil-CoA, que convierte el dióxido de carbono en acetil-CoA, una de las sustancias químicas más importantes del metabolismo.

Pero de los muchos mecanismos de la vida, los científicos han regresado una y otra vez al ciclo inverso del ácido cítrico. Algunas bacterias utilizan este proceso para producir compuestos de carbono complejos a partir de dióxido de carbono y agua. Y hay evidencia de que es extremadamente antiguo.

Al igual que Ralser, Moran y Muchowska utilizaron metales como el hierro para impulsar reacciones químicas en el laboratorio. En 2017 pudieron desencadenar seis de las 11 reacciones en el ciclo inverso del ácido cítrico, y dos años después encontraron reacciones adicionales. 

“Nunca produjimos el ciclo completo”, dice Moran. Pero se están acercando.

No todo es biología

A pesar de la emoción, no existe todavía consenso en la comunidad científica sobre si los ciclos celulares completos realmente podrían ocurrir sin enzimas para facilitar el proceso. Para Ramanarayanan Krishnamurthy, del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, no es convincente reproducir solo partes de un ciclo.

“Es como romper un frasco de vidrio en pedazos y luego pensar: los pedazos salieron del frasco, por lo tanto puedo armar el frasco”, dice.

Krishnamurthy y sus colegas están intentando un enfoque diferente. “Nos estamos desconectando de la biología”, asegura, porque lo que sucede en las células hoy es una guía imperfecta de lo que sucedió hace miles de millones de años. “Voy a dejar que la química me guíe”.

En 2018, el equipo de Krishnamurthy presentó un nuevo motor metabólico que consta de dos ciclos y funciona sin enzimas. “Pasamos por alto algunas de las moléculas más inestables, algunos de los pasos más difíciles que la biología puede realizar maravillosamente debido a enzimas evolucionadas altamente sofisticadas”, comentó Krishnamurthy. Sugiere que el proceso resultante podría haber sido un antiguo precursor del ciclo inverso de Krebs.

Recientemente, su equipo ha experimentado con la adición de cianuro, que se cree que abundaba en la Tierra primordial. Investigaciones anteriores han demostrado que el cianuro puede producir muchas de las sustancias químicas de la vida, porque es muy reactivo, pero no está claro si realmente desempeñó un papel en el origen de la vida, porque es venenoso para los organismos. Sin embargo, el equipo de Krishnamurthy ha demostrado que el cianuro puede activar motores metabólicos que se asemejan a algunas de las funciones de la vida.

Moran es escéptico de este enfoque, porque estos motores alternativos no producen algunos de los químicos fundamentales de la vida. “No entiendo por qué querrías hacer eso”, dice.

Queda por ver si las versiones completas de todos los ciclos metabólicos actuales pueden funcionar sin enzimas o si la primera forma de vida tuvo que arreglárselas con versiones alternativas y simplificadas, como las que ha hecho Krishnamurthy.

¿Un motor vivo?

La capacidad de imitar los procesos de la vida en formas simplificadas ha llevado a una pregunta profunda: ¿A partir de qué momento llamaríamos “vida” a estos sistemas químicos? Si un motor metabólico zumba en un frasco de vidrio, ¿está vivo?

La mayoría de los científicos dirían que no. Para que algo esté vivo, “necesitamos tener un sistema que sea lo suficientemente complejo como para que pueda metabolizarse y replicarse”, explica Ralser. Un motor metabólico por sí solo no está haciendo eso, pero es un paso en el camino hacia algo que pueda hacerlo.

“Nadie ha definido realmente la vida”, confirma Krishnamurthy, y además hay mucha ambigüedad. Por ejemplo, muchas definiciones de vida especifican que un organismo debe poder reproducirse, pero los animales sexuales individuales no pueden reproducirse sin una pareja; por lo tanto, según estas definiciones estrictas, un conejo solitario no está vivo.

“Todo lo que hay entre no vivir y vivir es un gradiente”, dice Muchowska. Los motores metabólicos no son completamente inanimados como lo son las rocas, ni viven completamente como una bacteria.

La vida, en cierto sentido, es una especie de accidente químico: una danza arremolinada que no se ha detenido en más de tres mil quinientos millones de años. No importa cómo la definamos, esa danza continúa, perfeccionando lentamente la maquinaria biológica que construyó las infinitas, bellas y maravillosas formas de vida que habitan la Tierra.