Orígenes de la vida alimentada por hidrógeno: Estudio

ARRIBA: Un respiradero hidrotermal que escupe líquido caliente rico en minerales Cortesía de Submarine Ring of Fire 2006 Exploration, NOAA Vents Program

Hoy, la vida en la Tierra depende enormemente de una fuente de energía externa, a saber, la radiación solar, para proporcionar la energía necesaria para forjar enlaces entre los átomos y ensamblar los complejos compuestos orgánicos necesarios para la vida. Dado que la fotosíntesis no evolucionó hasta relativamente tarde en la historia de los planetas, los científicos han debatido durante mucho tiempo qué fuente de energía utilizaron los primeros organismos, arrojando de todo, desde meteoritos hasta rayos, al anillo proverbial.

Pero el metabolismo de los primeros organismos del planeta pueden no haber requerido una fuente externa de energía. Bajo las condiciones presentes en un respiradero hidrotermal, un conjunto central de reacciones metabólicas se desarrolla espontáneamente de acuerdo con las leyes de la termodinámica, según los cálculos publicados el 13 de diciembre en Frontiers of Microbiology.

Los datos actuales descubren un vínculo termodinámico hasta ahora único entre la bioquímica central en su conjunto y las condiciones de un entorno geoquímico que se sabe que existió en la Tierra primitiva, escribe el bioquímico John Allen, quien ha colaborado previamente con el autor principal del estudio, William Martin, pero no participó en este documento, en un correo electrónico a The Scientist. Agrega que el artículo demuestra de manera convincente que las reacciones químicas realizadas plausiblemente por las primeras formas de vida cerca de un respiradero hidrotermal liberan energía y, por lo tanto, se moverán espontáneamente en la dirección de sintetizar precursores metabólicos.

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Los respiraderos hidrotermales, fuentes termales cerca de las fallas en el fondo del océano, se descubrieron hace 40 años y poco después se reconocieron como entornos propicios para el origen de la vida, ya que son cálidos, ricos en minerales y contienen materiales físicos. y gradientes químicos que facilitan las reacciones. En 2020, Martin y su grupo demostraron experimentalmente que, si se mantiene en agua en presencia de la aleación de níquel y hierro awaruita durante la noche a 100 °C, el hidrógeno gaseoso (que abunda en las fuentes hidrotermales) se combinará con dióxido de carbono para formar formiato, acetato y piruvato. último de los cuales es uno de los compuestos más centrales del metabolismo. Awaruite cataliza la formación de piruvato a partir de hidrógeno y dióxido de carbono al actuar como un agente reductor, lo que le permite sustituir al conjunto de enzimas que normalmente construyen la molécula paso a paso en los organismos.

El nuevo trabajo proviene de Martins curiosidad de cuán grande es este problema del origen del metabolismo. . . . ¿Cuántas reacciones necesitamos para hacer todos los componentes básicos de la vida, a partir de los elementos de la Tierra primitiva?

Martin y su equipo habían identificado previamente un conjunto central de más de 400 reacciones metabólicas que probablemente habrían sido presentes en el Último Ancestro Común Universal (LUCA), el organismo que dio origen a toda la vida existente en la Tierra, y son necesarios para generar aminoácidos, nucleótidos y otras moléculas celulares esenciales. Luego preguntaron si estas reacciones habrían requerido una fuente de energía externa para continuar.

Para averiguarlo, el equipo calculó la energía libre de Gibbs para cada reacción, una medida termodinámica de la energía necesaria o liberada de una reacción química, suponiendo que la temperatura y la presión circundantes se mantengan estables y que no haya entradas externas. Resulta que bajo las condiciones presentes en los respiraderos hidrotermales, casi todas las reacciones en el metabolismo del último ancestro común universal van cuesta abajo, dice Martin97 por ciento, para ser exactos. Eso significa que hay una tendencia natural del metabolismo a desarrollarse por sí mismo, bajo las condiciones adecuadas de los elementos, continúa. No tienes que añadir ninguna energía. La energía para la vida está dentro de la vida misma.

Para Allen, los hallazgos son notables. Significa que no tienes que pensar en ideas como la caída de un rayo. . . Los componentes esenciales del metabolismo moderno se ensamblarán a partir de gases, principalmente hidrógeno y dióxido de carbono, y en la atmósfera en las inmediaciones de los respiraderos hidrotermales.

El hidrógeno es clave, señala Martin. Si le quitamos el hidrógeno, nada funciona. Si sumamos las cantidades de hidrógeno presentes hoy en día en las fuentes hidrotermales modernas, todo funciona, dice. Además, los minerales dentro de las paredes de los respiraderos podrían haber actuado como catalizadores de reacciones metabólicas tempranas, como lo hizo la awaruita en experimentos anteriores. Estas primeras condiciones quieren desarrollarse y seguir adelante, pero no lo harán a menos que se proporcionen los catalizadores correctos, explica, como awaruita, greigita y magnetita, todos los cuales se forman en los respiraderos hidrotermales y pueden donar electrones para acelerar las reacciones. p>

Cuando el equipo trazó un mapa de cómo podrían interactuar las reacciones, los resultados sugirieron que se pueden producir precursores de aminoácidos, así como intermediarios del ciclo del ácido cítrico y los primeros pasos hacia la construcción de otros componentes celulares, incluidos cofactores enzimáticos y azúcares. . Estos productos de reacción podrían organizarse en redes autocatalizadoras con la ayuda de catalizadores del medio ambiente, dice Martin, lo que permitiría ensamblar un sistema metabólico, con todas las reacciones centrales impulsadas por hidrógeno.

Eloi Camprubi- Casas, un bioquímico del Earth-Life Science Institute en Tokio que no participó en el trabajo, le dice a The Scientist en un correo electrónico que considera que este estudio es un artículo necesario en el campo de los orígenes, y agrega que los hallazgos sugieren que las pocas reacciones que requieren energía identificadas por el equipo podrían haber obtenido la energía que necesitan de los productos de otros, como los fosfatos de acetilo. De esa manera, estas moléculas sintetizadas espontáneamente podrían haber actuado como análogos primordiales de ATP. reconoce que eso habría multiplicado por 10 la cantidad de trabajo. Camprubi-Casas también dice que el estudio podría haber considerado más a fondo la posibilidad de que los productos de algunas reacciones puedan inhibir otras reacciones o competir por los catalizadores, lo que hace que ambas vías sean incompatibles al menos en principio.

David Deamer, un bioquímico de la UC Santa Cruz que recientemente propuso una hipótesis de aguas termales volcánicas para el origen de la vida pero que no participó en el estudio, escribe en un correo electrónico a The Scientist que el artículo es impresionante. Y agrega: Particularmente significativo es que su argumento se basa firmemente en principios termodinámicos que revelaron cómo el hidrógeno molecular en solución podría actuar como un agente reductor para impulsar múltiples reacciones relacionadas con el metabolismo. Lo que aún no se aborda, señala, es cómo se encapsularon las reacciones en algún tipo de compartimento microscópico para que las redes en desarrollo pudieran mantenerse.