Cuando las rocas sientan las bases para el origen de la vida

respiradero hidrotermal

Minerales hidrotermales podrían haber funcionado como cebadores geoquímicos

Los catalizadores minerales que se encuentran en los respiraderos de aguas profundas convierten el CO2 y el H2 en biomoléculas, mostrando sorprendentes paralelismos con las vías biológicas conocidas.

Una colaboración internacional de científicos en Alemania, Francia y Japón investigó las actividades catalíticas de minerales encontrados en respiraderos hidrotermales de aguas profundas. Los resultados sugieren que las reacciones químicas impulsadas por minerales podrían mapearse estrechamente en el metabolismo microbiano del carbono.

La vida en la Tierra no podría haber comenzado sin el metabolismo. Se han propuesto respiraderos hidrotermales alcalinos como un posible entorno donde podría haber surgido una forma primitiva de metabolismo (protometabolismo) anterior a la vida celular.

Los primeros pasos del metabolismo, que habrían comenzado como química geológica, aún podrían conservarse en vías bioquímicas que los biólogos evolutivos han identificado como antiguas. Una de ellas es la vía acetil-CoA. Los microorganismos la usan para convertir el dióxido de carbono (CO2) en acetato y piruvato, sirviendo como punto de entrada a un metabolismo de carbono más complejo.

Curiosamente, es la única ruta de fijación biológica de carbono conocida que utiliza hidrógeno (H2) como fuente de electrones, y el H2 es muy abundante en los sistemas de respiraderos hidrotermales alcalinos. Aún así, ha sido un desafío la fijación de CO2 geoquímicamente realista que conduce a biomoléculas con mayor contenido de carbono en condiciones de respiraderos de aguas profundas biológicamente relevantes.

Buscando un puente entre lo abiótico (no vida) y lo biótico (vida), los investigadores en Alemania, Francia y Japón se inspiraron en las características de la vía biológica acetil-CoA. En biología, las enzimas complejas facilitan la reacción entre CO2 y H2, pero los minerales hidrotermales pueden servir como catalizadores para la versión no enzimática de la misma reacción.

El profesor Joseph Moran, químico orgánico interesado en el origen protometabólico de la vida y líder del Laboratorio de Catálisis Química de la Universidad de Estrasburgo (Francia) explica: "Lo que las enzimas y los minerales hidrotermales de la acetil-CoA tienen en común son los metales de transición como hierro (Fe) y níquel (Ni). Estos metales también se usan comúnmente como catalizadores en química orgánica para promover reacciones notoriamente difíciles". El equipo con sede en Estrasburgo ya había explorado la fijación de CO2 usando solo hierro metálico en el contexto del origen de la vida. Era el momento adecuado para pasar a catalizadores minerales geológicamente abundantes.

El biólogo Prof. William Martin de la Universidad Heinrich Heine en Düsseldorf ha estado investigando los paralelismos entre la fijación bioquímica y geoquímica de CO2 durante dos décadas. "Bajo condiciones fisiológicas, el H2 por sí solo no se reduce lo suficiente como para fijar CO2. Queríamos encontrar catalizadores que pudieran haber sostenido la vida desde el principio, antes de que los mecanismos biológicos complejos estuvieran en su lugar", dice Martin.

Junto con la química Dra. Martina Preiner (coautora principal del artículo), contactaron a un grupo de investigación en el Instituto Max Planck para la Investigación del Carbón en Mülheim, Alemania, dirigido por el Dr. Harun Tüysüz, que se especializa en catálisis heterogénea. Después de una lluvia de ideas, Martin, Moran y Tüysüz decidieron que los experimentos comenzarían con H2, CO2 y minerales que se encuentran en los respiraderos hidrotermales alcalinos: awaruita y magnetita.

catalizadores minerales en respiraderos hidrotermales

Imagen: Los catalizadores minerales que se encuentran en los respiraderos de aguas profundas convierten el dióxido de carbono y el hidrógeno en biomoléculas, mostrando sorprendentes paralelismos con las vías biológicas conocidas.

Sin embargo, los tres equipos no fueron los únicos con un objetivo similar. Investigadores en Tsukuba y Sapporo (Instituto de Investigación de Bioproducción, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada) comenzaron a reducir el CO2 con H2 sobre los catalizadores de sulfuro de hierro (por ejemplo, greigita mineral), que también son comunes en los sistemas de respiraderos de aguas profundas. El microbiólogo Dr. Kensuke Igarashi (co-primer autor del estudio), quien realizó experimentos con greigita en Sapporo, explica: "Estaba claro que podemos lograr una comprensión más profunda de nuestros hallazgos si compartimos nuestros resultados entre nosotros".

De hecho, este enfoque de mente abierta demostró ser muy fructífero. Aunque la fijación de CO2 con H2 sobre tres minerales hidrotérmicos (awaruita (Ni3Fe), magnetita (Fe3O4) y greigita (Fe3S4)) se realizó en tres laboratorios diferentes en todo el mundo, los resultados conducen a la misma conclusión.

"Todos estos minerales catalizan la fijación de CO2 con H2 en agua y producen productos que corresponden a los de la vía biológica acetil-CoA: formiato, acetato y piruvato", dice la Dra. Kamila Muchowska, química de Estrasburgo y coprimera autora del artículo, responsable de los experimentos con magnetita. "Estudiamos la superficie de todos los minerales probados y tenemos una fuerte evidencia de que las reacciones son catalíticas y ocurren en la superficie mineral", explica Tüysüz. "En el proceso hidrotérmico de fijación de CO2, el hidrógeno actúa como donante de electrones y energía, al igual que en biología. Es realmente sorprendente", agrega Preiner.

Los hallazgos de los investigadores sugieren que las simples reacciones geoquímicas abióticas podrían haber allanado el camino para el metabolismo temprano que los microbios todavía usan hoy en día. Los minerales hidrotermales podrían haber funcionado como cebadores geoquímicos para la aparición posterior de la ruta enzimática acetil-CoA. Estos resultados podrían no solo ser relevantes para los sistemas hidrotermales terrestres, y los científicos no excluyen la posibilidad de que el protometabolismo pueda iniciarse por una ruta similar en otros lugares.

El estudio se publica en la revista Nature Ecology & Evolution: A hydrogen-dependent geochemical analogue of primordial carbon and energy metabolism

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