Un misterio importante sobre el origen de la vida es cómo el fosfato se convirtió en un componente esencial de la maquinaria genética y metabólica en las células, dada su poca accesibilidad en la Tierra primitiva. En un estudio publicado el 9 de marzo en la revista Celda , los investigadores utilizaron enfoques de biología de sistemas para abordar este enigma de larga data, proporcionando evidencia convincente basada en datos de que las formas de vida primitivas pueden no haberse basado en el fosfato en absoluto. En cambio, algunas moléculas simples y abundantes podrían haber respaldado la aparición deun metabolismo libre de fosfato a base de azufre, que se expandió para formar una rica red de reacciones bioquímicas capaces de apoyar la síntesis de una amplia categoría de biomoléculas clave.
"La importancia de este trabajo es que los esfuerzos futuros para comprender el origen de la vida deberían tener en cuenta la posibilidad concreta de que los procesos basados en fosfato, que son esenciales hoy en día, pueden no haber existido cuando comenzaron a surgir los primeros procesos realistas"dice el autor principal del estudio, Daniel Segrè @dsegre de la Universidad de Boston: "Un metabolismo temprano independiente del fosfato capaz de producir varios bloques de construcción clave de los sistemas vivos es en principio viable".
El fosfato es esencial para todos los sistemas vivos y está presente en una gran proporción de biomoléculas conocidas. Un esqueleto de fosfato de azúcar forma el marco estructural de los ácidos nucleicos, incluidos el ADN y el ARN. Además, el fosfato es un componente crítico del trifosfato de adenosina ATP, que transporta energía química dentro de las células, y un compuesto llamado NADH, que tiene varias funciones esenciales en el metabolismo. Pero no está claro cómo el fosfato podría haber asumido estas funciones centrales en la Tierra primordial, dada su escasez y poca accesibilidad.
A la luz de este acertijo, algunos han propuesto que las primeras rutas metabólicas no dependían del fosfato. En muchos de estos escenarios, se cree que el azufre y el hierro encontrados en las superficies minerales han cumplido funciones catalíticas y energéticas importantes antes de la aparición del fosfatoUn escenario notable del origen de la vida sugiere que el papel del ATP fue asumido originalmente por compuestos que contienen azufre llamados tioésteres, que están ampliamente involucrados en el metabolismo de proteínas, carbohidratos y lípidos. A pesar de la disponibilidad de hierro y azufre en la Tierra primitiva,Falta evidencia concreta que respalde estos escenarios.
Para probar la viabilidad de la "hipótesis del mundo del azufre de hierro" y el "escenario mundial del tioéster", Segrè y su equipo utilizaron enfoques de biología de sistemas computacionales desarrollados originalmente para análisis a gran escala de redes metabólicas complejas. Los investigadores utilizaron una gran base de datospara ensamblar el conjunto completo de todas las reacciones bioquímicas conocidas. Después de explorar este llamado "metabolismo a nivel de la biosfera", los investigadores identificaron un conjunto de ocho compuestos libres de fosfato que se cree que estaban disponibles en entornos prebióticos. Luego utilizaron un algoritmo quesimuló la aparición de redes metabólicas primitivas compilando todas las reacciones posibles que podrían haber tenido lugar en presencia de estos ocho compuestos, que incluían formiato, acetato, sulfuro de hidrógeno, amonio, dióxido de carbono, agua, bicarbonato y nitrógeno gaseoso.
Este análisis reveló que algunos compuestos prebióticos simples podrían apoyar la aparición de una red metabólica rica en fosfato independiente. Esta red central, que consta de 315 reacciones y 260 metabolitos, fue capaz de soportar la biosíntesis de una amplia categoría de biomoléculas clavetales como aminoácidos y ácidos carboxílicos. Notablemente, la red se enriqueció con enzimas que contienen grupos de hierro y azufre, lo que refuerza la idea de que la bioquímica moderna surgió de la geoquímica mineral. Además, los tioésteres en lugar del fosfato podrían haber permitido que este metabolismo central supere los cuellos de botella energéticos yexpandirse bajo condiciones fisiológicamente realistas.
"Antes de nuestro estudio, otros investigadores habían propuesto una bioquímica temprana basada en azufre, con indicios de que el fosfato podría no haber sido necesario hasta más tarde", dice Segrè. "Lo que faltaba hasta ahora era evidencia basada en datos de que estos primeros procesos,en lugar de reacciones dispersas, podría haber constituido una red metabólica primitiva altamente conectada y relativamente rica ".
Aunque esta evidencia no experimental no prueba definitivamente que la vida comenzó sin fosfato, proporciona un apoyo convincente para la hipótesis del mundo del azufre de hierro y el escenario mundial del tioéster. Al mismo tiempo, el estudio pone en duda la "hipótesis del mundo del ARN", que propone que las moléculas de ARN autorreplicantes fueron los precursores de toda la vida actual en la Tierra. En cambio, los resultados respaldan la" hipótesis del metabolismo primero ", que postula que una red metabólica libre de fosfatos autosostenida precedió a la aparición de nucleicosácidos. En otras palabras, los ácidos nucleicos podrían haber sido el resultado de procesos evolutivos tempranos en lugar de ser un requisito previo para ellos.
"La evidencia de que un metabolismo temprano podría haber funcionado sin fosfato indica que el fosfato puede no haber sido un ingrediente esencial para el inicio de la vida celular", dice el primer autor Joshua Goldford, de la Universidad de Boston. "Este sistema proto-metabólico habría requerido unfuente de energía y puede haber surgido ya sea en la superficie de la Tierra, con la energía solar como la principal fuerza impulsora, o en la profundidad de los océanos cerca de los respiraderos hidrotermales, donde los gradientes geoquímicos podrían haber impulsado los primeros procesos reales ".
En futuros estudios, los investigadores continuarán aplicando enfoques de biología de sistemas para estudiar el origen de la vida. "Espero que estos hallazgos motiven más estudios del panorama de posibles caminos históricos del metabolismo, así como experimentos específicos para las pruebasla viabilidad de una bioquímica central basada en azufre libre de fosfato ", dice Segrè." La idea de analizar el metabolismo como un fenómeno a nivel de ecosistema o incluso planetario, en lugar de un organismo específico, también puede tener implicaciones para nuestra comprensión de los microbioscomunidades. Además, será interesante volver a examinar la cuestión de cómo la herencia y la evolución podrían haber funcionado antes de la aparición de biopolímeros ".
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Materiales proporcionados por prensa celular . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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