La vida convierte los alimentos en células a través de redes densas que involucran miles de reacciones. Una nueva investigación revela ideas sobre cómo tales redes podrían haber surgido desde cero en el origen de la vida. Un equipo internacional de investigadores en Alemania, Nueva Zelanda y EE. UU. Ha investigado las redes metabólicasde microbios primitivos y conjuntos autocatalíticos identificados colecciones interconectadas de reacciones autorreforzantes que son más antiguos que los genes.
Las células vivas son el producto final de las redes metabólicas. Las moléculas de alimentos que ingresan a la célula se convierten en intermediarios centrales que luego se canalizan hacia las vías que producen las moléculas de las que están formadas las células. Estas redes generalmente implican más de 1000 reacciones, casitodo lo cual es realizado por enzimas proteínas, que están codificadas por genes ácidos nucleicos. El vínculo entre genes y proteínas es, a su vez, el código genético universal que instruye a los ribosomas a producir proteínas de acuerdo con la información almacenada en los genes.Todos estos componentes están interrelacionados: el ribosoma es 50% de proteína y 50% de ARN en peso, las proteínas están hechas de aminoácidos, el ARN está hecho de bases de ácido nucleico, y los aminoácidos y bases están hechos por aproximadamente 1000 reacciones enmetabolismo, que son catalizados por las enzimas que codifican los genes. Con tantas capas de interdependencia mutua, no es de extrañar que los científicos hayan estado completamente perplejos durante más de un siglo cuando se trata de lapregunta de cómo podría surgir un sistema de interacciones tan complejo en el origen de la vida.Al igual que con la evolución de todos los sistemas complejos, tuvo que comenzar desde algo más simple.¿Pero que?Nuevos hallazgos de Joana C. Xavier y colegas informaron en Actas de la Royal Society B en Londres proporcionar nuevos avances en esta larga pregunta.
Las nuevas pistas provienen del menos esperado de todos los lugares: las matemáticas. Hace casi 50 años, el polímato estadounidense Stuart Kauffman sugirió que las construcciones teóricas llamadas conjuntos autocatalíticos podrían haber sido intermedias en el origen de la complejidad molecular del tipo que encontramos en el metabolismoy células. Dichos conjuntos autocatalíticos consisten en elementos miembros del conjunto que son tanto productos como catalizadores para que puedan obtener más de ellos mismos si se les da un material de partida adecuado. La analogía con el metabolismo y las enzimas es evidente. La existencia y propiedades de tales autocatalíticoslos sets siguieron siendo objeto de mucha especulación y décadas de feroz debate hasta que el matemático Mike Steel de la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda y Wim Hordijk, un científico informático de los Países Bajos, ambos coautores del estudio, encontraron formas de aprovecharlos en la computadoraDescubrieron que una clase particular de conjuntos autocatalíticos llamados RAF por sus siglas en inglésredes ed, que son muy similares en diseño al metabolismo celular, tienen la propiedad inesperada de ser francamente susceptibles de surgir desde cero."La sorpresa es que los elementos solo necesitan agregar una pequeña cantidad de catálisis al sistema antes de que comiencen a producir más de sí mismos", dice Steel."Esto es lo que los físicos llaman autoorganización, una especie de santo grial en el origen de la investigación de la vida", agrega Hordijk.
Con experiencia en las redes metabólicas de células reales, Joana C. Xavier, del Instituto de Evolución Molecular de la Universidad de Düsseldorf, preguntó si se podían detectar RAF en las redes metabólicas de los microbios más primitivos, anaerobios estrictos que viven del H2y compañía 2 . De hecho, descubrió que los RAF estaban allí en el metabolismo de los anaerobios antiguos, pero eran sustancialmente más pequeños que el mapa metabólico completo, comprendiendo solo 394 reacciones en el caso de un microbio antiguo que convierte H2 y CO 2 al acetato para ganarse la vida y 209 reacciones en el caso de un microbio antiguo que convierte H 2 y CO 2 al metano. "Este tamaño intermedio es interesante", dice Xavier, "porque apunta a un estado intermedio en la evolución del metabolismo, algo más complejo que las reacciones individuales pero menos complejo que una célula".
Los dos tipos de organismos unicelulares en el centro del estudio, llamados acetógenos y metanógenos, han estado en la mira de los microbiólogos interesados en el origen de la vida. Se han relacionado con el último ancestro común universal, LUCA, y conreacciones geoquímicas en respiraderos hidrotermales. Xavier descubrió que los conjuntos de acetógenos y metanogenos se superponen para formar una antigua red central de 172 reacciones. Este antiguo núcleo conservado es anterior a la divergencia de bacterias y arqueas y tiene propiedades intrigantes. Puede generar aminoácidos y bases de ácidos nucleicosa partir de un simple conjunto inicial de alimentos, pero si se proporcionan solo las bases como alimento, no surge ninguna red ". No solo las redes autocatalíticas dejaron fósiles en el metabolismo real, sino que precedieron a los polímeros de ARN y proteínas en la evolución, eso es un paso adelante enmi libro ", dice Kauffman, coautor del estudio y pionero de la autocatálisis.
William Martin, de la Universidad de Düsseldorf y coautor del estudio, dice: "Las redes que rastrean el metabolismo de LUCA son más antiguas que los genes, señalan el orden natural en las reacciones químicas de la vida". Los acetógenos y los metanógenos crecen bajo el tipo de condicionesque se encuentran hoy en los respiraderos hidrotermales. ¿Surgió la vida en los respiraderos hidrotermales? "Cuanto más miramos, más signos siguen apuntando en esa dirección", dice Xavier, "la idea sigue descubriendo hallazgos que convergen. Estos respiraderos fueron probablemente los primeros biorreactores enLa Tierra ". La identificación de redes autocatalíticas como componentes del metabolismo moderno los saca de la mesa de dibujo y los lleva al mundo real de la vida microbiana. Que descubrieron fósiles de las primeras etapas de la evolución química fue inesperado y abrió nuevas rutas para el estudiode nuestro pasado evolutivo más profundo, probando el tiempo hace 4 mil millones de años, cuando la vida recién comenzaba a partir de un pequeño conjunto de reacciones químicas que ocurren naturalmentetuvo lugar en algún lugar, tal vez en un respiradero hidrotermal.
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Materiales proporcionado por Universidad de Heinrich-Heine Duesseldorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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