Es un componente clave para la formación de moléculas biológicas como el ARN y el ADN
La urea se considera una posible molécula clave en el origen de la vida. Investigadores de la ETH han descubierto una forma previamente desconocida de que este componente básico se forme espontáneamente en superficies acuosas sin necesidad de energía adicional.
La urea es uno de los productos químicos industriales más importantes que se producen a nivel mundial. Se utiliza como fertilizante, para la producción de resinas sintéticas y explosivos, y como aditivo para combustibles destinado a la limpieza de los gases de escape de los automóviles.
También se cree que la urea es un componente clave para la formación de moléculas biológicas como el ARN y el ADN en relación con la cuestión del origen de la vida.
Hasta ahora, el origen de la urea en la Tierra primitiva no ha sido aclarado de manera concluyente.
Un equipo de investigación dirigido por Ruth Signorell, profesora de Química Física en la ETH de Zúrich, ha descubierto una vía de reacción previamente desconocida para la formación de urea que podría ofrecer una respuesta.
Química en la superficie del agua
Para la producción industrial de urea a partir de amoníaco (NH₃) y dióxido de carbono (CO₂), se requieren altas presiones y temperaturas o catalizadores químicos. Las enzimas permiten que la misma reacción se produzca en humanos y animales, eliminando el amoníaco tóxico de la descomposición de las proteínas.
Como esta simple molécula contiene nitrógeno además de carbono y probablemente existió en la deshabitada Tierra primitiva, muchos investigadores ven la urea como un posible precursor de biomoléculas complejas.
"En nuestro estudio, mostramos una forma en que la urea podría haberse formado en la Tierra prebiótica", dice Signorell, "es decir, donde las moléculas de agua interactúan con los gases atmosféricos: en la superficie del agua".
Imagen: Representación gráfica de la formación de urea en una gota. Crédito: Luis Quintero / ETH Zúrich
Reactor en el borde de una gota
El equipo de Signorell estudió diminutas gotas de agua, como las que se encuentran en la espuma marina y la niebla fina. Los investigadores observaron que la urea puede formarse espontáneamente en condiciones ambientales a partir del dióxido de carbono (CO₂) y el amoníaco (NH₃) en la capa superficial de las gotitas. La interfaz física entre el aire y el líquido crea un entorno químico especial en la superficie del agua que posibilita la reacción espontánea.
Dado que una gota tiene una superficie muy grande en relación con su volumen, las reacciones químicas ocurren principalmente cerca de esta superficie. En esta zona se forman gradientes de concentración química, que actúa como un reactor microscópico. El gradiente de pH a través de la capa interfacial de las gotas de agua crea el ambiente ácido necesario, que abre vías no convencionales que de otro modo no tendrían lugar en los líquidos.
"Lo notable de esta reacción es que se produce en condiciones ambientales sin ninguna energía externa", explica Mercede Mohajer Azizbaig, una de las dos primeras autoras. Esto no sólo hace que el proceso sea interesante desde una perspectiva técnica, sino que también proporciona valiosa información sobre procesos que podrían ser significativos para la evolución.
Imagen: Los primeros autores que realizaron el experimento (Imagen: Doris Lujanovic / ETH Zurich)
Una ventana a los inicios de la Tierra
El origen de la vida es actualmente objeto de una amplia investigación, con diferentes enfoques en marcha.
El primer autor Pallab Basuri explica: "Dado que es un campo de investigación tan controvertido, para nosotros era importante respaldar nuestras observaciones".
Los cálculos teóricos de los coautores Evangelos Miliordos y Andrei Evdokimov de la Universidad de Auburn respaldaron los hallazgos experimentales y confirmaron que la reacción de la urea en las gotas tiene lugar sin ningún suministro de energía externa.
Los resultados sugieren que esta reacción natural también pudo haber sido posible en la atmósfera de la Tierra primitiva, una atmósfera rica en CO₂ y probablemente con pequeñas trazas de amoníaco. En tales entornos, los aerosoles acuosos o las gotitas de niebla podrían haber actuado como reactores naturales donde se formaron moléculas precursoras como la urea.
"Nuestro estudio muestra cómo interfaces aparentemente mundanas pueden convertirse en espacios de reacción dinámicos, lo que sugiere que las moléculas biológicas pueden tener un origen más común de lo que se pensaba anteriormente", afirma Signorell.
A largo plazo, la reacción directa del CO₂ y el amoníaco en condiciones ambientales también podría tener potencial para una producción respetuosa con el clima de urea y productos derivados.
El estudio se publica en la revista Science: Spontaneous formation of urea from carbon dioxide and ammonia in aqueous droplets
