La naturaleza cristalina de la vida

Moléculas que más tarde se convertirían en ingredientes esenciales de toda la materia viva como, por ejemplo, los aminoácidos (las piezas que forman las proteínas) o los ácidos nucleicos (como el ADN). Pero, ¿cuáles de las incontables combinaciones posibles entre biomoléculas y superficies minerales fueron la clave de esa evolución? #2# #3# A lo largo del último medio siglo, los científicos han descubierto que las superficies minerales podrían haber jugado un papel fundamental en la organización o en la activación de moléculas que más tarde se convertirían en ingredientes esenciales de toda la materia viva como, por ejemplo, los aminoácidos (las piezas que forman las proteínas) o los ácidos nucleicos (como el ADN). Pero, ¿cuáles de las incontables combinaciones posibles entre biomoléculas y superficies minerales fueron la clave de esa evolución? Esta pregunta ha mantenido intrigados a los científicos durante mucho tiempo por la enorme cantidad de posibilidades. Ahora, un equipo interdisciplinario de investigadores dirigidos por Robert Hazen, del Laboratorio de Geofísica de la Carnegie Institution y antiguo presidente de la Sociedad Mineralógica de América, ha desarrollado nuevos protocolos y procedimientos para adaptar la tecnología de microarrays de ADN a la identificación rápida de posibles pares molécula / mineral. El discurso presidencial de Hazen publicado en la edición de noviembre / diciembre de la revista American Mineralogist describe ese trabajo. Presenta una exhaustiva recopilación de las investigaciones que han servido para identificar los procesos por los que ciertos minerales pueden haber promovido la transición desde el mundo geoquímico al mundo biológico, hace casi cuatro mil millones de años. Los científicos han llegado a entender varias de las posibles fases del desarrollo de la vida, especialmente cómo se formaron las primeras moléculas orgánicas. En la actualidad se piensa que los procesos de síntesis prebiótica fueron tan productivos en la Tierra primitiva que, seguramente, existieron muchas más clases de moléculas que las que fueron usadas por la vida emergente. Por tanto, uno de los temas más importantes en la investigación sobre el origen de la vida es entender como se seleccionó, concentró y organizó la mezcla correcta de biomoléculas esenciales a partir de la variada sopa primordial. Investigaciones realizadas con anterioridad por el laboratorio de la Carnegie Institution, y otros, han demostrado que muchas moléculas, incluyendo aminoácidos, pueden adherirse a superficies minerales y que esto promueve la ocurrencia de ciertas reacciones orgánicas. Estos descubrimientos han hecho que el tema de las interacciones entre moléculas y superficies haya recibido mucha atención. Se sospecha que el origen de la materia orgánica terrestre es, probablemente, múltiple y de fuentes complementarias. Es el espacio profundo hay nubes moleculares en las que se forman numerosas biomoléculas y estos compuestos extraterrestres deben haber llovido sobre la Tierra primigenia. Otros tipos de síntesis molecular fueron impulsados en la atmósfera terrestre por las tormentas eléctricas y la radiación ultravioleta, o en las profundidades del océano por el calor de los volcanes y ciertas reacciones químicas. Algunas de esas biomoléculas fueron atraídas sobre la superficie de minerales específicos, donde se agruparon, se concentraron y fueron substrato de otras reacciones. ‘Las proteínas están compuestas por alrededor de 20 tipos de aminoácidos’, explica Hazen. ‘En un capricho de la naturaleza, los aminoácidos existen en dos formas que son simétricas especularmente, llamadas formas D y L, una particularidad que los convierte en lo que se conoce como moléculas quirales. Resulta que la vida usa formas L, casi exclusivamente, mientras que los procesos no biológicos no suelen distinguir entre las dos variantes. Para que ocurriera la transición desde la era química a la era biológica, algún proceso tuvo que separar y concentrar las formas D y L de los aminoácidos. Este paso, conocido como selección quiral, es crucial en la formación de las moléculas que forman la vida’. #4# Al igual que los aminoácidos, los cristales de algunos minerales tienen pares de superficies cristalinas que están relacionadas por un plano de simetría especular, denominadas caras de mano izquierda y de mano derecha. La calcita, uno de esos minerales, es común en la actualidad y fue predominante durante la Era Arcaica, cuando la vida apareció. En 2001, Hazen y sus colaboradores realizaron los primeros experimentos que demostraban que la forma L del ácido aspártico se adhería preferentemente a las caras de mano izquierda de la calcita. Este estudio confirmó las existentes sugerencias teóricas de que podría haber procesos por los que la mezcla de aminoácidos D y L de la sopa primordial se habría concentrado y seleccionado sobre superficies minerales fácilmente disponibles. Desde entonces, el desafío ha sido determinar cuáles de las incontables interacciones entre biomoléculas y superficies son los candidatos más probables como primeros pasos para la formación de vida. ‘La superficie de los cristales es complicada’, continúa Hazen. ‘Tienen hendiduras y depresiones y raramente son planas. Necesitamos saber qué tipos de superficie son las mejores “plataformas de anclaje” para las diferentes biomoléculas. Sin embargo, hay cientos de tipos de superficies minerales y miles de posibles moléculas prebióticas, lo que hace que haya, literalmente, millones de pares posibles entre biomoléculas y minerales. Es una cantidad sobrecogedoramente grande de posibilidades’. Los microarrays de ADN sugieren una manera de resolver el problema. Son fabricados por robots que depositan decenas de miles de gotas microscópicas de ADN de otros tantos genes en un portaobjetos, permitiendo a los científicos medir qué genes están activos. Esta tecnología, que avanza rápidamente, puede ser usada, por ejemplo, para identificar genes implicados en enfermedades. Esta y otras tecnologías de alto rendimiento han revolucionado la investigación biotecnológica. En colaboración con Andrew Steele, investigador de la Carnegie Institution, y su equipo, Hazen ha adaptado la técnica de los microarrays al estudio de las interacciones entre moléculas y minerales. Los científicos han diseñado protocolos para limpiar las superficies de los cristales, depositar gotas de hasta 96 moléculas orgánicas diferentes, lavar las superficies para eliminar las moléculas que no se adhieren al mineral, y localizar las moléculas adsorbidas restantes. #5#Para descubrir ‘qué moléculas se pegan y cuáles no’, como dice Hazen, los científicos de la Carnegie están colaborando también con un grupo de la Smithsonian Institution dirigido por Edward Vicenzi, para emplear una poderosa herramienta llamada ToF-SIMS (espectrómetro de masas de ion secundario con medida del tiempo de vuelo). El instrumento bombardea las muestras con partículas ionizadas y rompe las moléculas unidas a la superficie y la capa más superficial del mineral. El espectrómetro de masas se usa entonces para determinar qué es lo que había en la muestra. ‘El uso de ToF-SIMS nos permitirá también determinar qué moléculas orgánicas son las que se unen más fuertemente a las superficies minerales’, comenta Hazen. ‘Ciertamente, Hazen ha diseñado una estrategia lo más directa posible para resolver el problema’, opina Patricia Dove, profesora de geoquímica en Virgina Tech. ‘Al adaptar la estrategia de los microarrays, que es típica del área de la biología molecular, su equipo puede identificar muy rápidamente millones de tipos de biomoléculas y averiguar cuáles interaccionan más fuertemente con las superficies minerales. Pero tiene aún más ventajas. Otro avance fundamental es, precisamente, el uso de ToF-SIMS, que elimina la necesidad de usar marcadores químicos cuyas propiedades pueden influir en los resultados’. David Beamer, profesor de química y bioquímica en la Universidad de California en Santa Cruz, comenta que ‘Bob Hazen está enfrentándose a un problema fundamental en relación al origen de la vida. Sabemos que en el medio ambiente de la Tierra primigenia había compuestos orgánicos, pero como soluciones diluidas en la masa acuática global de miles de diferentes tipos de compuestos. ¿Cómo se seleccionaron los conjuntos específicos de compuestos que se ensamblaron para formar las primeras formas de vida, y mediante qué proceso se concentraron lo suficiente para iniciar una versión primitiva del metabolismo? Sabemos ahora que los minerales pueden extraer compuestos orgánicos específicos de una solución e incluso distinguir sutiles propiedades como la quiralidad, uniendo aminoácidos de tipo L, con preferencia sobre los aminoácidos de tipo D. Estos resultados son muy significativos y están guiando mi propia investigación, así como la de muchos otros investigadores en este área’. Una vez que Hazen y su equipo hayan identificado, con la técnica de los microarrays combinada con ToF-SIMS, pares interesantes de moléculas y superficies, un arsenal de técnicas adicionales podrán ser usadas para investigar en detalle las interacciones. ‘Lo que es especialmente satisfactorio de esta investigación es que es un esfuerzo interdisciplinario de varias áreas de la ciencia: biología, química y geología’, reflexiona Hazen. ‘Este proyecto las combina para responder a una pregunta que ha intrigado a la humanidad desde el nacimiento de la conciencia: ¿de donde venimos?’