Origen de la vida: ¿homoquiralidad con los minerales?

Es un desafío crucial para la investigación sobre el origen de la vida. Entre los muchos obstáculos para generar polímeros biológicamente relevantes abióticamente, lograr la homoquiralidad es quizás el impedimento más difícil de superar. ¿Qué es la homoquiralidad? Bueno, todas las macromoléculas de la vida están compuestas de bloques de construcción que existen como imágenes especulares. La analogía de las manos izquierda y derecha se utiliza más comúnmente para transmitir este concepto químico. Con muy pocas excepciones, la vida sólo utiliza una de estas formas.

Las propiedades químicas de los compuestos reflejados en espejo son equivalentes a todos los efectos prácticos. Por lo tanto, se esperaría que la producción de estos componentes básicos en un mundo prebiótico, utilizando compuestos muy simples como material de partida, diera como resultado una mezcla racémica, o una distribución 50/50, de estos componentes básicos. Esto ya ha sido confirmado a partir del análisis de compuestos orgánicos recuperados de un asteroide, como escribí aquí en mayo.

Para poder explicar de manera convincente a la comunidad científica el origen prebiótico de la vida en la Tierra, es necesario producir polímeros que tengan una sola configuración a partir de esta mezcla. La tarea que tenemos entre manos es proponer esquemas químicos que produzcan polipéptidos (proteínas) o ARN utilizando bloques de construcción homoquirales. Realizar tal hazaña en solución parece inviable, por lo que muchos científicos del origen de la vida han abandonado el enfoque de la sopa prebiótica. Una mejor alternativa, ampliamente investigada, es el uso de superficies minerales donde la adsorción de químicos orgánicos podría teóricamente seleccionar preferentemente una configuración de un par de moléculas quirales.

Aquí discutiré brevemente este enfoque experimental, señalando hacia dónde nos han llevado los estudios relevantes. Primero consideraré la polimerización de aminoácidos para formar proteínas, seguida de los intentos de lograr esta hazaña utilizando precursores de ARN.

Entre los estudios que muestran eficacia en la obtención de longitudes cortas de aminoácidos para formar oligopéptidos, uno de los primeros se informó en 1978 (Lahav N., White D. y Chang S. (1978) Science 201: 67-69). El sistema empleado, para facilitar la reacción de condensación para formar enlaces peptídicos entre aminoácidos, fue el uso de minerales arcillosos (caolinita y bentonita). Se invocaron ciclos repetidos de calentamiento, evaporación y rehidratación, que son condiciones probablemente presentes en una Tierra prebiótica. Utilizando el aminoácido más simple, la glicina (que no tiene centro quiral), se descubrió que la diglicina se producía en niveles bajos con cantidades progresivamente más bajas hasta longitudes de pentapéptido. En particular, la fase de calentamiento-secado de este ciclo aparentemente facilita la reacción de condensación, permitiendo la formación de enlaces peptídicos.

Este fue un comienzo, pero aún está muy lejos de producir longitudes de polipéptidos de alguna relevancia biológica. Las proteínas pequeñas deben alcanzar un mínimo de 100-200 aminoácidos para contribuir eficazmente a la función biológica. Después de este rayo inicial de esperanza, muchos otros laboratorios emprendieron enfoques similares, probando diferentes superficies minerales y una variedad de condiciones de reacción. Los más exitosos lograron producir polipéptidos hasta decámeros. A partir de estos estudios quedó claro que cuanto más tiempo se producía el polipéptido, más difícil era recuperarlo de la superficie mineral, ya que estaba estrechamente unido mediante una multitud de fuerzas de enlace químicas repartidas en una larga cadena de aminoácidos. El éxito en la producción de polipéptidos largos aparentemente condena al polímero a permanecer fijado a la superficie en lugar de liberarse en solución como lo necesita la vida.

Un defecto importante de los estudios descritos anteriormente es que no intentaron explicar cómo se podría imponer la selectividad homoquiral por esta vía. La síntesis de polipéptidos con una mezcla racémica de aminoácidos no ofrece a la vida prebiótica nada en términos de funcionalidad. Para que las proteínas asuman estructuras específicas y reproducibles, se debe utilizar un conjunto homoquiral de aminoácidos. Con este objetivo en mente, un laboratorio informó que los pares enantioméricos de ácido aspártico se adsorben preferentemente en caras opuestas con simetría especular de calcita (carbonato de calcio). Se propuso que el ácido aspártico, que tiene tres grupos funcionales (dos ácidos carboxílicos y un grupo amina), se orienta con selectividad homoquiral hacia los grupos químicos expuestos de la calcita. Esto se deduce lógicamente para explicar el ~90 por ciento de enriquecimiento quiral observado.

En este caso funciona con el ácido aspártico, pero ¿qué pasa con el ácido glutámico? Tiene los mismos grupos funcionales pero están espaciados de forma un poco diferente. No hay garantía de que el ácido glutámico quiral correspondiente también se una selectivamente a la misma superficie. Lamentablemente, esto no fue informado. Entre los 20 aminoácidos, sólo 11 poseen al menos tres grupos funcionales necesarios para un posicionamiento espacial apropiado en la interfaz mineral. Los nueve restantes tienen sólo dos grupos, uno carboxilo y otro amino. Esto deja poco espacio para lograr la homoquiralidad de todos los aminoácidos necesarios para construir proteínas.

Para darle crédito a este laboratorio, mencionaron que la alanina, la valina y la lisina no exhiben selección quiral en la calcita. La falta de datos para la mayoría de los aminoácidos restantes lleva a creer que los minerales en general son otro callejón sin salida para el problema de homoquiralidad que los investigadores de proteínas OOL están tratando de resolver. En contraste con las conclusiones que saqué de estas observaciones, los autores no se vieron disuadidos de hacer afirmaciones audaces sobre cómo este modelo podría ayudar a explicar la polimerización homoquiral de aminoácidos en superficies minerales en general.

El carbohidrato ribosa, necesario para producir ARN, presenta una situación muy problemática. La ribosa tiene cuatro centros quirales, a diferencia de los aminoácidos que tienen solo uno. Por lo tanto, la D-ribosa que se encuentra en el ARN tiene otros siete compañeros químicos que difieren en la disposición espacial de sus átomos. La ribosa tiene una ventaja para ayudar a los investigadores de OOL. La mayoría de las veces existe como estructuras anulares de seis o cinco miembros donde los grupos hidroxilo funcionales están colocados geométricamente a un lado de esta estructura química. Los minerales como el rutilo pueden acomodar los enlaces de hidrógeno, lo que presenta una oportunidad para unirse preferentemente a la ribosa sobre sus otros carbohidratos competidores. Se ha propuesto un modelo de este tipo con la salvedad de que se debe aplicar una fuerza tridimensional para efectuar la separación de la ribosa de los demás azúcares.

Las dos primeras dimensiones se explican por interacciones cuasi planas de los anillos de azúcar con la interfaz mineral. En términos más simples, este mineral debe aplicarse a una técnica de separación llamada cromatografía. La unión más estrecha de la ribosa, en virtud de que todos sus grupos hidroxilo apuntan a la superficie mineral, permitiría una retención más fuerte donde los otros azúcares avanzarían más rápidamente a través de esta separación cromatográfica.

Hay varios problemas con esta propuesta innovadora. La configuración de una separación cromatográfica no ocurre de forma natural. Requiere un diseño específico donde todas las moléculas deben ingresar al medio cromatográfico simultáneamente. Es decir, se requiere de un agente externo para realizar este ejercicio. Suponiendo que la cromatografía se desarrolle como se esperaba, el último azúcar de 5 carbonos que eluye del medio cromatográfico será D- y L-ribosa. Todavía hay una mezcla racémica de ribosa con la que hay que lidiar. Finalmente, como discutí en mi artículo anterior, unir apropiadamente una nucleobase y finalmente un fosfato a D-ribosa es una tarea extremadamente difícil sin el uso de catalizadores diseñados específicamente, por ejemplo, enzimas. Es muy poco probable que esto suceda en un escenario prebiótico.

He abordado aquí el potencial que los minerales ofrecían a los investigadores de OOL para sintetizar abióticamente los primeros biopolímeros funcionales. Los principios simples que descartan estas propuestas se pueden aplicar a otros escenarios comparables en esta área, pero eso requeriría un artículo mucho más largo y técnico. Baste decir que existen sólidos contraargumentos a la plétora de esquemas que los investigadores de OOL idean para tratar de explicar cómo la vida pudo haber surgido abióticamente. Examinar críticamente estos esquemas es la tarea que tienen los científicos del otro lado del campo.