¿Polímeros simples ejerciendo de enzimas en el amanecer de la vida en la Tierra?

La mayor parte de los esfuerzos para investigar cómo surgió la vida en la Tierra se centran en intentar averiguar cómo se produjo la formación prebiótica de los bloques de construcción biológicos. Sin embargo, es posible que la evolución biológica temprana dependiera de diferentes estructuras y procesos químicos, y que con el paso del tiempo estos fueran sustituidos gradualmente por acción de la evolución.

Recientemente, los químicos Irena Mamajanov, Melina Caudan y Tony Jia, del Instituto de Ciencias de la Vida de la Tierra (ELSI), adscrito al Instituto Tecnológico de Tokio en Japón, exploraron esta posibilidad. Sorprendentemente, encontraron que incluso unos polímeros en apariencia poco prometedores podían servir como catalizadores eficaces, y han llegado a la conclusión de que estos pudieron ayudar a formarse a las primeras estructuras de la vida.

En la biología moderna, ciertas enzimas hacen la mayor parte del trabajo catalítico en las células. Estas enzimas están formadas por polímeros lineales de aminoácidos, que se pliegan de tal modo que pueden conformar formas tridimensionales fijas. Estas formas preestablecidas les permiten interactuar de manera muy selectiva con las sustancias químicas cuyas reacciones catalizan. Los catalizadores ayudan a que las reacciones ocurran mucho más rápido de lo que lo harían sin su ayuda, pero no se consumen en la reacción misma, por lo que una sola molécula catalizadora puede ayudar a que la misma reacción ocurra muchas veces. En estos estados plegados tridimensionales, la mayor parte de la estructura del catalizador no interactúa directamente con las sustancias químicas en las que actúa, y solo ayuda a la estructura de la enzima a mantener su forma.

En la nueva investigación, los investigadores del Instituto de Ciencias de la Vida de la Tierra estudiaron polímeros hiperramificados (estructuras arbóreas con un alto grado y densidad de ramificación). Los polímeros hiperramificados, al igual que las enzimas, son capaces de posicionar catalizadores y reactivos, y de modular la química local de forma precisa.

A la hora de intentar averiguar cómo se produjo la formación prebiótica de los componentes básicos de la vida y las estructuras biológicas modernas, se tiende a dar por hecho que estos compuestos existen ahora y, por lo tanto, se busca comprender cómo se pudieron forjar en el ambiente primigenio.

Sin embargo, solo conocemos un ejemplo de vida, y sabemos que la vida está en constante evolución, lo que significa que solo sobreviven las variantes más exitosas de los organismos. Por lo tanto, puede ser razonable suponer que los organismos modernos pueden no ser muy similares a los primeros organismos, y es posible que la química prebiótica y la evolución biológica temprana dependieran de estructuras y procesos químicos diferentes a los de la biología moderna para reproducirse. Como analogía con la evolución tecnológica, los primeros aparatos de televisión basados en tubos de rayos catódicos cumplían más o menos la misma función que los modernos televisores de alta definición, pero son tecnologías fundamentalmente diferentes. Una tecnología condujo a la creación de la otra de alguna manera, pero no fue necesariamente el precursor lógico y directo de la otra.

Si este tipo de modelo de "andamiaje" para la evolución bioquímica es cierto, la pregunta se convierte en: ¿Qué tipo de estructuras más simples, además de las utilizadas en los sistemas biológicos contemporáneos, pudieron ayudar a llevar a cabo el mismo tipo de funciones catalíticas que requiere la vida moderna? Mamajanov y sus colegas razonaron que los polímeros hiperramificados podrían ser buenos candidatos.

Algunos de los polímeros hiperramificados estudiados por el equipo, fueron sintetizados por este a partir de sustancias químicas que parece razonable que estuvieran presentes en la Tierra temprana antes de que comenzara la vida. El equipo demostró entonces que estos polímeros podían unirse a pequeños cúmulos inorgánicos naturales de átomos, conocidos como nanopartículas de sulfuro de zinc. Se sabe que tales nanopartículas son inusualmente catalíticas por sí mismas.

La imagen, captada mediante microscopio, muestra nanopartículas uniformes de menos de 10 nanómetros de diámetro. (Foto: Tony Z. Jia, ELSI)

El siguiente reto del equipo fue demostrar que estos híbridos entre polímero hiperramificado y nanopartícula podían realizar catálisis importantes. Descubrieron que estos polímeros, dopados con sulfuro metálico y que degradan pequeñas moléculas, resultan especialmente activos en presencia de luz, en algunos casos catalizan la reacción con una rapidez de hasta un factor de 20.

Los investigadores observaron además que esta química puede ser relevante para un modelo de origen de la vida conocido como el “Mundo del Zinc”. Según este modelo, el primer metabolismo fue impulsado por reacciones fotoquímicas catalizadas por minerales de sulfuro de zinc. (Fuente: NCYT de Amazings)