Los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison han cultivado reacciones químicas realistas al tiempo que fueron pioneros en una nueva estrategia para estudiar el origen de la vida
El trabajo está lejos de impulsar la vida en el laboratorio. Sin embargo, muestra que las técnicas simples de laboratorio pueden estimular el tipo de reacciones que probablemente sean necesarias para explicar cómo comenzó la vida en la Tierra hace unos cuatro mil millones de años.
Los investigadores sometieron una rica sopa de productos químicos orgánicos a una selección repetida al reducir constantemente la población química y dejar que se acumulara nuevamente con la adición de nuevos recursos. Durante generaciones de selección, el sistema parecía consumir sus materias primas, evidenciaesa selección puede haber inducido la propagación de redes químicas capaces de propagarse.
En escalas de tiempo más largas, estos cambios químicos oscilaron en un patrón repetitivo. Este ciclo de auge y caída aún no se explica por completo, pero es una buena evidencia de que las sopas químicas establecieron bucles de retroalimentación similares a los encontrados en los organismos vivos. David Baum, un profesor de botánica de la UW-Madison, y su equipo publicaron sus hallazgos el 23 de octubre de 2019 en la revista vida . El trabajo fue financiado por la National Science Foundation y la NASA.
Ahora, otros investigadores pueden usar este enfoque experimental y ayudar a desenredar qué componentes son necesarios para fomentar sistemas químicos realistas y si esas redes químicas pueden desarrollar rasgos más complejos.
Si este sistema puede generar una mayor complejidad, podría ayudar a resolver el enigma de cómo los químicos simples eventualmente dieron lugar a algo tan intrincado como el ancestro celular que generó toda la vida hoy.
"Una pregunta central en el origen de la vida es: ¿cómo se obtiene la evolución antes de que hubiera información genética como esa en el ADN o el ARN?", Dice Baum. "Lo que nos hemos dado cuenta ahora es que la evolución de las redes químicas puede resolverese problema, y eso es algo que podemos abordar en el laboratorio "
Para probar la idea de la evolución química del ecosistema, los investigadores reunieron una rica sopa de productos químicos. En el agua de mar, disolvieron aminoácidos, azúcares, compuestos orgánicos comunes, minerales traza y los componentes básicos de los ácidos nucleicos. Para darle al sistema aún másLos científicos añadieron ATP, una molécula de alta energía que impulsa casi todas las reacciones de la vida hoy en día, pero que era poco probable que existiera en tiempos primordiales.
"No todos estos productos químicos podrían haber estado disponibles en la Tierra primitiva, pero estamos tratando de acelerar un proceso que, en teoría, podría comenzar a partir de bloques de construcción aún más simples", dice Baum, quien también es un compañero de descubrimiento en WisconsinInstituto para el descubrimiento.
El equipo mezcló su sopa primordial con granos finos de pirita, un mineral de hierro y azufre también conocido como oro de tontos. Sobre la base de la propuesta de evolución química de 1988 del químico alemán Günter Wächtershäuser, el equipo de Baum cree que la pirita es un material ideal para el cultivo real.química.
"La pirita era un mineral común en la Tierra primordial, puede unirse a muchos compuestos orgánicos y puede catalizar reacciones entre ellos", dice Lena Vincent, una estudiante graduada en el laboratorio de Baum y autora principal del estudio ".Y, muy elegantemente, muchas enzimas altamente conservadas a lo largo de la vida tienen núcleos que son muy similares a la pirita. Básicamente son pirita envuelta en proteínas ".
Los investigadores agregaron unas gotas de la sopa de agua de mar enriquecida a una pequeña cantidad de pirita triturada en un vial y mezclaron la solución durante unos días. Esta fue la primera generación. Para comenzar la siguiente generación, Vincent tomó una pequeña cantidad dela primera solución y la mezcló en un vial con sopa fresca y pirita. Más de una docena o más de generaciones, solo aquellas redes químicas que podrían propagarse más rápido de lo que se diluyeron podrían sobrevivir y extenderse.
Después de 12 o 18 generaciones, los investigadores vieron una caída en el fosfato disponible, una lectura del uso de ATP, y en el material orgánico disuelto, lo que sugirió que los compuestos químicos podrían adherirse y extenderse a lo largo de los granos de pirita.
Cuando inspeccionaron la pirita con un aumento ultra alto, los investigadores vieron una gran cantidad de formas fractales que se extendían a lo largo de la superficie del mineral en las muestras experimentales pero no en las muestras de control que carecían de un historial de selección.
Si bien estas formas fractales parecen ser sales y no es probable que sean reales por sí mismas, los investigadores sospechan que pueden ser inducidas por una delgada muestra de compuestos orgánicos unidos a los granos. Los fractales nunca aparecieron cuando el material orgánico se dejó fuera delsolución.
"Los científicos han estado buscando ejemplos de reacciones que espontáneamente complejan y organizan productos químicos orgánicos durante mucho tiempo", dice Jim Cleaves, coautor del trabajo del Earth-Life Science Institute ELSI en el Instituto de Tokio deTecnología en Japón. "Basado en este trabajo y en otros experimentos que hemos estado realizando en ELSI, parece posible que tales reacciones no sean increíblemente raras, simplemente se trata de utilizar las herramientas adecuadas para encontrarlas".
Cuando los investigadores realizaron el experimento durante 40 generaciones, observaron períodos de cambio gradual intercalados por reversiones repentinas de las condiciones de inicio. Si bien la causa de estos choques sigue siendo desconocida, este tipo de bucle de retroalimentación no lineal se encuentra en la vida yes evidencia de que el sistema experimental indujo comportamientos complejos en la sopa química.
"Esta no linealidad es un requisito previo para todos los comportamientos realistas interesantes que estamos buscando, incluida la autopropagación y la evolución", dice Vincent. Cautelosamente entusiasmados con su éxito preliminar, Baum y su equipo ahora están ansiosos por reclutar a otrospara ayudarlos a refinar su sistema.
"Queríamos desarrollar un sistema que podamos investigar más a fondo para abordar las preguntas sobre la capacidad de evolución. Y esperamos que otros laboratorios usen este protocolo y lo mejoren", dice Baum. "Aquí es exactamente donde queríamos estar".
Este trabajo fue apoyado por la subvención NSF EAGER número 1624562 y el Laboratorio de Ideas NASA-NSF CESPOoL Paradigma de selección de ecosistemas químicos para los orígenes de la vida, subvención de la NASA número 80NSSC17K0296.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Madison . Original escrito por Eric Hamilton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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