Gotitas de ARN pueden haber acelerado el desarrollo de moléculas complejas en la Tierra prebiótica
El origen de la vida a partir de la química primigenia de la Tierra nos ha fascinado y desconcertado durante mucho tiempo. Generaciones de científicos se han esforzado por comprender cómo se desarrolló la bioquímica compleja a partir de compuestos orgánicos.
Investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB) descubrieron recientemente que las condiciones dentro de ciertas gotas que se forman naturalmente promueven reacciones de reducción y oxidación (redox), que son cruciales para la vida.
Los resultados apoyan la idea de que estas gotitas podrían haber actuado como protoenzimas, permitiendo la formación de moléculas orgánicas más complejas. Los hallazgos tienen importantes implicaciones para comprender el origen de la vida y el desarrollo de la bioquímica.
"Desarrollamos una forma de ver el interior de gotitas de líquido biológicamente importantes usando electroquímica para aprender cómo crean un ambiente adecuado para las reacciones químicas", dijo el coautor principal Nick Watkins, ex investigador postdoctoral en el laboratorio del profesor Lior Sepunaru.
Este proyecto de investigación se basa en trabajos previos del profesor Herbert Waite de la UCSB y en una larga colaboración con los profesores Daniel Morse y Mike Gordon sobre el ensamblaje de proteínas.
Un curso intensivo de química
Algunos principios teóricos rigen las reacciones que ocurren en un sistema. El primero es la entropía: el grado de desorden. También está la entalpía: la cantidad de calor absorbido o liberado durante una reacción química a presión constante. Un potencial termodinámico llamado energía de Gibbs explica cómo interactúan la entropía y la entalpía a una temperatura dada. También revela si es probable que una reacción ocurra por sí sola, lo que los químicos llaman "espontáneo", o si requiere un aporte de energía.
Los químicos observan cómo cambian estos valores para predecir y comprender las reacciones. El entorno (temperatura, presión, distribución de carga, etc.) influye en si una reacción dada ocurrirá por sí sola, como un clavo de hierro oxidándose en un charco.
Una pregunta clave que guía esta investigación se refiere a la química orgánica temprana en la Tierra. Existe la hipótesis de que, en la Tierra prebiótica, la química que dio origen a las primeras formas de vida se produjo en pequeñas gotas.
"Estas gotas, llamadas coacervados, pueden considerarse como gotas de aceite en el agua", afirmó Watkins.
Sin embargo, a diferencia de las gotas de aceite, los coacervados se forman a partir de macromoléculas (como proteínas, ARN u otros polímeros) que se fusionan dentro de una solución.
Sepunaru, Watkins y la coautora principal Gala Rodríguez querían saber si los coacervados crean un entorno que promueve reacciones biológicamente interesantes.
En este artículo, analizaron las reacciones redox. Estas implican la transferencia de electrones entre dos sustancias: una pierde electrones (se oxida) y la otra los gana (se reduce). Estos dos procesos siempre ocurren simultáneamente, formando una única reacción redox. Aproximadamente un tercio de la bioquímica implica reacciones redox, que a menudo subyacen a las vías de producción o transferencia de energía en un sistema vivo.
Imagen: La electroquímica proporciona información sobre las fuerzas impulsoras termodinámicas que impulsan las reacciones químicas. Crédito: PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2521526122
Observando el interior de los microambientes
Los autores buscaban una suspensión estable que imitara el entorno que podría haberse formado en la Tierra prebiótica. Por ello, utilizaron una molécula de ARN (ácido poliuridílico) y un péptido (poli-L-lisina) para crear su coacervado.
En lugar de introducir reactivos bioquímicos complejos dentro de esta gota, el equipo optó por estudiar la reducción del ferricianuro a ferrocianuro. Esto implica simplemente añadir o retirar un electrón para la conversión entre Fe(CN)63- y Fe(CN)64-. Si bien este par redox no constituye en sí mismo una reacción biológica, el hierro desempeña un papel fundamental en la bioquímica. Además, su electroquímica ha sido ampliamente estudiada.
"Es una reacción clásica que se aprende en química redox", dijo Sepunaru.
Con el sistema configurado, Watkins y Rodríguez se propusieron medir la energía de Gibbs de los coacervados, lo cual resultó sorprendentemente sencillo: medir el voltaje a través de la muestra.
"El voltaje que se mide en una reacción redox es linealmente proporcional a la energía de Gibbs. De alguna manera, podemos pensar en la electroquímica como un medidor de energía de Gibbs", dijo Sepunaru, profesor asociado del Departamento de Química y Bioquímica.
Los autores utilizan un electrodo metálico recubierto con una fina película de coacervados suspendidos en agua. La disposición estándar consiste en que dos electrodos conectan el circuito, mientras que un tercer electrodo proporciona una tierra de referencia para calibrar el voltaje y obtener información útil. Esto proporcionó una medición de toda la muestra, que el equipo utilizó para calcular el voltaje de una gota promedio.
El voltaje medido por el equipo les informó sobre la espontaneidad de la reacción (energía de Gibbs). Posteriormente, midieron el voltaje a diferentes temperaturas, lo que les permitió distinguir entre las contribuciones entrópicas y entálpicas de la reacción a la energía de Gibbs total.
Un entorno fundamentalmente diferente
El equipo descubrió que el entorno dentro del coacervado aumentaba la probabilidad de que las reacciones redox se produjeran por sí solas. Sepunaru, Watkins y Rodríguez no son el primer, segundo ni siquiera el tercer equipo en demostrar que estas gotitas facilitan las reacciones redox. Pero sí son los primeros en describir cómo el microambiente impulsa esto.
Lo que lograron es un conocimiento sin precedentes sobre la causa de los cambios energéticos. El equipo no solo pudo medir cómo el entorno de las gotitas modifica la energía de la reacción, sino también explicar por qué ocurren estos cambios.
Imagen: Método para la investigación termodinámica de sondas redox electroquímicas dentro de películas delgadas. Crédito: PNAS, DOI: 10.1073/pnas.2521526122
"Demostramos que el agua que rodea el hierro se comporta de manera diferente dentro de la gota que en el agua normal", dijo Sepunaru.
El equipo utilizó la espectroscopia Raman para vincular los cambios de voltaje con las variaciones en el entorno interno de la gota. En particular, rastrearon los cambios en los modos vibracionales de las moléculas de hierro a medida que diferentes concentraciones de estas se dividían en la gota. Esto proporcionó evidencia directa a nivel molecular para sus observaciones electroquímicas.
"Además de descubrir que el entorno interno de las gotitas hace que las reacciones redox sean más probables, también descubrimos que las moléculas tienen más facilidad para donar electrones dentro de este entorno único", dijo Rodríguez, estudiante de doctorado en el grupo de Sepunaru.
La mayoría de los investigadores creían que los coacervados servían como pequeñas cámaras de reacción que concentraban los reactivos. Pero el nuevo estudio revela que esto es solo una parte del mecanismo; en realidad, existe un cambio en la energía de Gibbs dentro de este microambiente. Esto significa que el entorno es diferente dentro de estos coacervados de maneras que alteran la probabilidad de que estas reacciones ocurran por sí solas.
"Dentro de estas gotitas, la química es muy diferente a la del agua normal", explicó Sepunaru. "Por lo tanto, se pueden producir reacciones químicas y bioquímicas que de otro modo serían imposibles en el agua, lo cual es fundamental para el origen de la vida".
Los autores consideran los coacervados como protoenzimas porque catalizan activamente ciertas reacciones, de forma similar a como lo haría una enzima real. Ambos están compuestos de polímeros y ambos alteran su microambiente de maneras que promueven reacciones específicas (aunque las enzimas son mucho más selectivas, eficientes y sofisticadas).
Pero en lugar de ser proteínas complejas y altamente evolucionadas, los coacervados son gotitas naturales con una química mucho más simple. Al funcionar como protoenzimas, los coacervados podrían haber permitido el surgimiento de biomoléculas más complejas.
Necesidad de velocidad
Sepunaru tuvo varios comienzos fallidos con este proyecto hasta que Watkins y Rodríguez lo asumieron.
"Se necesitó mucha innovación y creatividad de su parte para resolver los problemas", dijo.
Si bien la energía de Gibbs explica qué reacciones es probable que ocurran, a menudo no se correlaciona con la velocidad de reacción. Que una reacción sea más espontánea no significa necesariamente que ocurra más rápido.
Sin embargo, la energía de Gibbs y la velocidad están correlacionadas en el caso especial de las reacciones de transferencia de electrones, la clase de reacciones redox que estudia el equipo. Aprovechan esta ventaja al investigar cómo influyen los coacervados en la velocidad de reacción. También planean estudiar reacciones redox más complejas.
Muchos equipos tienen sus instrumentos enfocados en coacervados.
"Pero somos el único laboratorio con la vista puesta en la energía de Gibbs", dijo Sepunaru.
Los hallazgos han sido publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences: Quantification of redox thermodynamics shifts within coacervates
