Cadenas de transporte de electrones como ventana a las primeras etapas de la evolución
¿Cómo eran las primeras formas de vida? En un nuevo artículo de perspectiva, los científicos describen una estrategia para responder a esta pregunta mediante el estudio de la evolución más temprana de las cadenas de transporte de electrones, una estrategia metabólica universal con una historia muy antigua.
A pesar de décadas de progreso, el origen de la vida sigue siendo uno de los grandes problemas sin resolver de la ciencia. "Las características más básicas de la biología, que los organismos están hechos de células, que transmiten información genética a través del ADN, que usan enzimas proteicas para ejecutar su metabolismo, surgieron a través de procesos específicos en la historia evolutiva muy temprana", dice Aaron Goldman, Profesor asociado de Biología en Oberlin College.
"Comprender cómo se formaron por primera vez estos sistemas biológicos más básicos no solo nos dará una mayor comprensión de cómo funciona la vida en el nivel más fundamental, sino también en primer lugar qué es la vida y cómo podríamos buscarla más allá de la Tierra".
La cuestión de cómo surgió la vida por primera vez generalmente se estudia a través de experimentos de laboratorio que simulan los entornos de la Tierra primitiva y buscan químicas que puedan crear los mismos tipos de biomoléculas y reacciones metabólicas que vemos en los organismos de hoy. Esto se conoce como un enfoque "de abajo hacia arriba", ya que funciona con materiales que habrían estado presentes en la Tierra prebiótica. Si bien estos experimentos de la llamada "química prebiótica" han demostrado con éxito cómo "pudo haberse originado" la vida, no pueden decirnos cómo "se originó" realmente la vida.
Mientras tanto, otra investigación utiliza técnicas de la biología evolutiva para reconstruir cómo podrían haber sido las primeras formas de vida en función de los datos de la vida actual. Esto se conoce como el enfoque "de arriba hacia abajo" y puede informarnos sobre la historia de la vida en la Tierra.
Imagen: Una progresión general del origen y evolución temprana de la vida y los enfoques científicos que abordan cada etapa.
La investigación de arriba hacia abajo, sin embargo, solo puede mirar hacia atrás, ya que había genes que todavía se conservan en los organismos de hoy y, por lo tanto, no hasta el origen de la vida. A pesar de sus limitaciones, la investigación de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba apuntan al objetivo común de descubrir los orígenes de la vida, e idealmente sus respuestas deberían converger en un conjunto común de condiciones.
Un nuevo artículo publicado por Goldman, Laurie Barge (científica investigadora en astrobiología en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA y sus colegas, intenta cerrar esta brecha metodológica. Los autores argumentan que la combinación de investigación de laboratorio de abajo hacia arriba sobre caminos plausibles hacia el origen de la vida con reconstrucciones evolutivas de arriba hacia abajo de formas de vida tempranas puede usarse para descubrir cómo se originó realmente la vida en la Tierra primitiva.
En su artículo los autores describen un fenómeno fundamental para la vida actual que podría estudiarse combinando la investigación de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo: las cadenas de transporte de electrones.
Las cadenas de transporte de electrones son un tipo de sistema metabólico que utilizan los organismos de todo el árbol de la vida, desde las bacterias hasta los humanos, para producir formas utilizables de energía química. Los diferentes tipos de cadenas de transporte de electrones están especializados para cada forma de vida y el metabolismo energético que utilizan: por ejemplo, nuestras mitocondrias contienen una cadena de transporte de electrones vinculada a nuestro metabolismo energético heterótrofo (que consume alimentos); mientras que las plantas tienen una cadena de transporte de electrones completamente diferente vinculada a la fotosíntesis (la generación de energía a partir de la luz solar).
En todo el mundo microbiano, los organismos utilizan una amplia gama de cadenas de transporte de electrones vinculadas a una variedad de diferentes metabolismos energéticos. Pero, a pesar de estas diferencias, los autores describen la evidencia de la investigación de arriba hacia abajo de que este tipo de estrategia metabólica fue utilizada por las formas de vida más tempranas y presentan varios modelos de cadenas ancestrales de transporte de electrones que podrían remontarse a una historia evolutiva muy temprana.
También examinan la evidencia actual de abajo hacia arriba que sugiere que incluso antes del surgimiento de la vida tal como la conocemos, la química similar a la cadena de transporte de electrones podría haber sido facilitada por los minerales y el agua oceánica de la Tierra primitiva.
Inspirados por estas observaciones, los autores describen futuras estrategias de investigación que sintetizan la investigación de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba sobre la historia más antigua de las cadenas de transporte de electrones para obtener una mejor comprensión del antiguo metabolismo energético y el origen de la vida en general.
Esta investigación es la culminación de cinco años de trabajo previo de este equipo interdisciplinario de varios institutos dirigido por Barge en el JPL, para estudiar cómo podrían haber surgido reacciones metabólicas en entornos geológicos en la Tierra primitiva.
El trabajo anterior del equipo ha investigado, por ejemplo, reacciones específicas en cadena de transporte de electrones impulsadas por minerales (dirigido por Jessica Weber, investigadora científica del JPL); cómo las enzimas antiguas pueden haber incorporado la química prebiótica en sus sitios activos (dirigido por Goldman); y metabolismo microbiano en ambientes extremadamente limitados en energía (dirigido por Doug LaRowe, en la Universidad del Sur de California).
"La aparición del metabolismo es una cuestión interdisciplinaria, por lo que necesitamos un equipo interdisciplinario para estudiar esto", dice Barge. "Nuestro trabajo ha utilizado técnicas de química, geología, biología y modelado computacional para combinar estos enfoques de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba, y este tipo de colaboración será importante para futuros estudios de vías metabólicas prebióticas".
El artículo se publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences: Electron Transport Chains as a Window into the Earliest Stages of Evolution
