updated 1:39 PM CEST, Sep 28, 2016

Laberintos de microporos como crisoles de la vida

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lava entrando en el mar

Sistemas de poros en el fondo marino se calientan por la actividad volcánica

Microporos llenos de agua en rocas calientes pueden haber actuado como viveros en los que comenzó la vida en la Tierra. Un equipo de la Ludwig Maximilian University (LMU) ha demostrado ahora que los gradientes de temperatura en sistemas de poros promueven la réplica cíclica y la aparición de ácidos nucleicos.

¿Cómo y en qué hábitats surgieron las primeras formas de vida sobre la joven Tierra?

Una condición previa fundamental para el origen de la vida es que biomoléculas relativamente simples deben haber tenido la oportunidad de formar estructuras más complejas, que fueran capaces de reproducirse y almacenar la información genética en una forma químicamente estable.

Pero este escenario requiere algunos medios de acumulación de las moléculas precursoras en forma de solución altamente concentrada. A principios de los océanos, tales compuestos estaban presentes en concentraciones infinitamente bajas. Pero los físicos de la LMU dirigidos por el profesor Dieter Braun describen ahora un valor que proporciona las condiciones necesarias y demuestran experimentalmente que los sistemas de poros en el fondo marino que se calientan por la actividad volcánica podrían haber servido como cámaras de reacción para la síntesis de moléculas de ARN, que sirven como soportes de información hereditaria en la biosfera de hoy.

volcán submarino

"El requisito clave es que la fuente de calor se localice en un lado del poro alargado, de modo que el agua en ese lado está significativamente más caliente que en el otro", dice Braun.

Biomoléculas preformadas que a continuación se depositan en el poro pueden quedar atrapadas y concentrarse por la acción del gradiente de temperatura - cumpliendo así una importante condición previa para la formación y la replicación de estructuras moleculares más complejas.

El efecto de captura molecular es una consecuencia de la termoforesis: moléculas cargadas en una temperatura gradiente preferentemente se mueven desde el calentador a la región más fría, lo que en particular permite a polímeros más largos ser atrapados de forma segura. Este es un factor importante en la evolución de los ácidos nucleicos tales como ARN y ADN, simplemente porque las moléculas más largas pueden almacenar más información genética.

Recreando poros de rocas en el laboratorio

energía química dentro de un microporoBraun y sus colegas han demostrado que este mecanismo funciona en el laboratorio: "Utilizamos pequeños tubos capilares de vidrio para construir un análogo de los poros naturales que se encuentran en la roca, calentamos el poro de un lado y dejamos que se filtrase a través de él agua que contenía fragmentos disueltos de ADN lineal de longitudes variables.

En tales condiciones, las hebras largas son efectivamente atrapadas dentro del poro", explica Braun. "Los poros que fueron expuestos al calor se encuentran frecuentemente en las formaciones de roca ígnea, y eran ciertamente común en rocas de origen volcánico en la Tierra primitiva. Así que este escenario es bastante realista. Y el efecto de la temperatura se ve reforzado por la presencia de incrustaciones metálicas dentro la roca, que conducen el calor a velocidades 100 veces mayor que el agua".

Los gradientes de temperatura y la replicación

No sólo son retenidos los ácidos nucleicos en el poro, sino que también son capaces de replicación bajo estas condiciones. En la zona más caliente, hebras de doble cadena se separan en sus hebras constitutivas en cuestión de minutos. Las hebras individuales pueden entonces ser transportadas por convección - flujo cíclico a lo largo del poro perpendicular a la orientación del gradiente de temperatura - volviendo a la región más fría del poro.

Aquí se encuentran los precursores químicos de los que se construye cada hebra de ADN, que se alimentan en el poro por un flujo continuo. Los filamentos preformados actúan entonces como plantillas para la polimerización de cadenas complementarias. Este ciclo hace que sea posible no sólo replicar las hebras sino también alargarlas por la unión de fragmentos.

Cuando los ácidos nucleicos se acumulan a niveles más allá de la capacidad de almacenamiento de los poros, las moléculas recién replicadas pueden escapar y colonizar sistemas de poros vecinos.

Así, el grupo de la LMU ha logrado construir un sistema que permite la evolución darwiniana autónoma y continua de biomoléculas cada vez más complejas - definiendo de este modo las condiciones reales en las que podría haber evolucionado la vida en un principio.

"La vida es fundamentalmente un fenómeno termodinámico no equilibrado. Por eso, la aparición de las primeras formas de vida requiere un desequilibrio local, impulsado por una fuente de energía externa, por ejemplo, por una diferencia de temperatura impuesta desde fuera del sistema", explica Dieter Braun.

"Que esto se pueda lograr de una manera tan simple y elegante fue sorprendente incluso para nosotros. El éxito del proyecto es un homenaje a la estrecha colaboración entre todos los miembros del equipo".

Artículo científico: Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length