Los investigadores proponen un nuevo mecanismo para la evolución química temprana

Científicos de la Universidad Estatal de Ohio tienen una nueva teoría sobre cómo los componentes básicos de la vida (las muchas proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos que componen cada organismo en la Tierra) pueden haber evolucionado para favorecer un cierto tipo de estructura molecular.

Tiene que ver con un concepto llamado quiralidad. Una propiedad geométrica inherente a ciertas moléculas, la quiralidad puede dictar la forma de una molécula, la reactividad química y cómo interactúa con otra materia. La quiralidad también se conoce a veces como lateralidad, ya que se puede describir mejor como la dicotomía entre nuestras manos: aunque no son idénticas, la mano derecha y la izquierda son imágenes especulares entre sí y no se pueden superponer o superponer exactamente en unos y otros.

en el diario ACS Química de la Tierra y el Espaciolos investigadores ahora proponen un nuevo modelo de cómo las moléculas de la vida pueden haber desarrollado su «mano».

Este sentido de la diestro o zurdo de una molécula juega un papel muy importante en la bioquímica y es especialmente importante cuando se trata de ayudar a los humanos a desarrollar medicamentos para tratar enfermedades moleculares, como el cáncer. Si bien una molécula en una forma podría tener valor terapéutico para los humanos, su gemelo opuesto podría estar inactivo o causar defectos de nacimiento no deseados. Además, como la naturaleza a menudo demuestra una preferencia por simetrías específicas, las moléculas que sustentan a todos los seres vivos solo muestran una fuerte preferencia por una forma de entrega sobre otra.

En última instancia, aunque ahora se reconoce en gran medida el papel de la quiralidad, no existe un consenso claro entre los científicos sobre cómo pudo haber surgido inicialmente esta simetría preferida, dijo el coautor del estudio James Cowan, distinguido profesor universitario emérito de química y bioquímica en la Estado de Ohio.

«La razón por la que muchas de las moléculas clave de la vida solo tienen una mano preferida es un misterio», dijo Cowan. «En cuanto a cómo se produjo, el proceso debe reflejar algo muy especial acerca de cómo la química temprana desarrolló una forma preferida de ácidos nucleicos y proteínas».

Cowan y el coautor RJ Furnstahl, profesor de física en el estado de Ohio, describen un modelo en el que el desarrollo de moléculas quirales preferidas evoluciona a través de una interacción fundamental llamada fuerza nuclear débil. La segunda interacción más débil después de la gravedad, es un fenómeno que hace que los protones se descompongan en neutrones y viceversa.

Esto desafía los pensamientos anteriores sobre el origen de la quiralidad de la Tierra, que sugería que se produjo después de los impactos de meteoritos en el planeta durante su formación temprana. En cambio, su trabajo es consistente con la química basada en ARN en el «modelo mundial de ARN», en el que la formación de ácidos ribonucleicos fue un paso clave en la forma en que se podrían haber producido todas las demás moléculas de la vida.

Al combinar elementos de la biología, la física nuclear y la química, Cowan y Furnstahl brindan una explicación de cómo una preferencia manual en los componentes básicos de la vida evolucionó no a partir de moléculas extraterrestres, o por casualidad, sino a través de una fuerza fundamental de la naturaleza que sentó las bases moleculares. fundación que eventualmente vendría a apoyar e influir en la vida en la Tierra.

«Imagínese un universo donde hubiera un guante derecho, pero no un guante izquierdo», dijo Cowan. «En el transcurso de unos pocos millones de años, esta preferencia por una mano en particular se vuelve evidente, y luego se repite y amplifica, y finalmente se le permite dominar».

El estudio concluye que la fuerza nuclear débil, junto con los metales abundantes en la Tierra como el calcio, que amplifica el efecto, podría haber actuado como una semilla, influyendo en la química prebiótica de una manera que provocó que la quiralidad preferida emergiera simbióticamente con el resto de los principios de la naturaleza. bloques de construcción.

«Basado en la física fundamental, nuestro modelo genera los componentes químicos reales con una mano preferida que podría haber resultado en los procesos de vida que conocemos hoy, y lo hace de una manera que es muy satisfactoria», dijo Cowan.

Aunque su investigación es puramente teórica en este momento, el estudio señala que con la tecnología adecuada, hay algunas formas en que se podría probar su mecanismo. Desafortunadamente para los investigadores, es un proceso demasiado tedioso recrear escalas de tiempo primordiales en el laboratorio.

«En términos de hacer las moléculas en las que se basan los organismos vivos, esas reacciones ocurren en marcos de tiempo de cientos de miles de años», dijo Cowan. «Por supuesto, no tenemos que esperar tanto tiempo para probar la hipótesis en el laboratorio».

Si bien se podrían realizar extensos experimentos químicos con la ayuda de elementos pesados ​​como el uranio, lo que podría ayudar a obtener un resultado en solo unos pocos años, otra forma más práctica de probar la hipótesis detrás de su investigación podría ser usar la espectroscopia: dividir la luz en diferentes longitudes de onda para estudiar sus propiedades, para observar los exoplanetas cercanos para tratar de determinar si las moléculas allí también exhiben una «partididad» preferida.

«Si hubiera una mano preferida, y fuera del mismo tipo que observaríamos en la Tierra, entonces sería una evidencia muy, muy fuerte de que la naturaleza en realidad dirige la evolución de la química biológica», dijo Cowan.

En el futuro, uno de sus mayores desafíos para avanzar en el trabajo es esperar que la tecnología necesaria para hacer estos experimentos se ponga al día, dijo Cowan. «Pudimos establecer un mecanismo físico factible que describe cómo podría llevarse a cabo este proceso, pero el siguiente obstáculo es encontrar la mejor manera de estudiarlo experimentalmente».