El reciente hallazgo de pequeñas cantidades de azúcares en meteoritos tiene interesantes implicaciones astrobiológicas. Aquí contextualizamos el resultado y aclaramos su significado sin sensacionalismo.

Hace algunos días respecto de la fecha en la que escribo esto, salió publicado un interesante trabajo en PNAS en el que confirman la detección de ribosa y otros azúcares relacionados, de la familia de las aldosas, en tres meteoritos de la familia de las condritas carbonáceas. En concreto, el hallazgo se ha realizado sobre los meteoritos NWA801, NWA7020 (NWA significa North Western Africa, y son meteoritos recogidos normalmente en el área comprendida por Marruecos, Argelia y Mauritania) y en el famoso Meteorito de Murchison.

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Fragmento del meteorito NWA-801, en el que se observan los característicos “cóndrulos”.
Fragmento de otra famosa condrita carbonácea: el meteorito de Allende. Este meteorito no ha podido usarse como buena referencia, debido a su gran contaminación de origen terrestre (muestra de mi colección personal)

Si bien este hallazgo no es nuevo, es una confirmación de que la Química que llevamos a cabo en el laboratorio los que estudiamos la Evolución Química y Origen de la Vida podría ser correcta y trata de poner fin a una vieja polémica: los compuestos orgánicos de interés para el origen de la vida, hallados en meteoritos, ¿son originales o producto de contaminación en la Tierra?. En primer lugar, ¿que NO nos está diciendo este trabajo?

  • No resuelve el problema del origen de la vida, ni aporta un punto esencial para ello, ni tiene la clave para aclarar el origen de la vida.
  • No sugiere que la vida, el ADN o el ARN vinieron del espacio en meteoritos.
  • No sugiere que la vida se originase fuera de la Tierra.
  • No sugiere ni siquiera que los meteoritos fueron necesarios para que la vida se originase. Eso es otro tema.
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No, ésta típica imagen de stock que se usa en los periódicos cuando hablan de ADN, NO es una representación correcta de la molécula de ADN. Es un “meme”, que, aunque no es el peor que he visto, no se corresponde con la estructura real.

¿Qué implicaciones tiene, entonces, este trabajo?. Para entenderlo, el lector debe tener unos conocimientos previos: debe saber qué son el ADN y el ARN, de qué están compuestos, en qué se diferencian y qué estructura tienen.

Origen de la Vida: muchos problemas, pocas soluciones

Entender el Origen de la Vida implica entender cómo se formaron los biopolímeros que la forman, es decir, los ácidos nucleicos (ADN y ARN) y las proteínas. Sin biopolímeros, no hay vida. Actualmente, con las evidencias de que disponemos, pensamos que la vida no se originó en fondos marinos, sino en tierra; ambientes formados por pequeños lagos o charcas, abiertos a la atmósfera, en las que se concentraban sustancias orgánicas y estaban sometidos a ciclos ambientales simples (evaporación-lluvia, congelación-descongelación). Estos ambientes son más adecuados para que las moléculas interaccionen entre sí, la formación de los biopolímeros y para seleccionar las estructuras químicas más adecuadas o estables. A este proceso lo llamamos evolución química.

Para conocer este proceso inicial de evolución química, tenemos una aliada: la propia vida que conocemos. A pesar de los casi 4000 millones de años de evolución biológica que lleva este planeta (y por fortuna) la evolución es muy conservadora. Nosotros transportamos auténticos fósiles vivientes que nos dan pistas sobre los pasos iniciales de la vida: biopolímeros que nos acompañan desde el principio y que están en todos los organismos vivos. Uno de estos ‘fósiles vivientes’ es el ribosoma. Esta estructura, fundamental para la vida, es un gran complejo formado por ARN y proteínas. El estudio de su evolución sugiere que no sólo estuvo desde el principio de la vida y que, desde entonces, su estructura básica no ha cambiado; además, sugiere que es posible que estuviera antes que la vida en sí. Es posible que los enzimas que sostienen el metabolismo, simplemente, fueran proteínas emancipadas de aquel ribosoma primordial, y que siguieron evolucionando para formar el metabolismo de todos los seres. Las bases de la vida se sentaron en el primer organismo, antecesor de todos. Después, solo han sido ajustes, adiciones y diferenciaciones, que han dado lugar a la biodiversidad. Podemos decir que nuestros ribosomas son la herencia de un organismo, una célula, que vivió hace 4000 millones de años y de la que ellos son su fósil. Esta idea de la evolución del ribosoma, es, para mi, una de las más impactantes de la Biología moderna.

El ribosoma: la central donde la célula fabrica las proteínas, es un complejo formado por ARN (cintas en gris) y proteínas (estructuras en rojo y azul) con unas propiedades e historia natural sorprendentes. En la imagen, ribosoma de la bacteria Escherichia coli, se observa el ARN transferente en el sitio P (azul) y ARN transferente del sitio E (rosa). Imagen: C. Menor-Salvan/Chimera UCSF a partir de PDB 4V4I

El estudio de la evolución del ribosoma, así como otros aspectos (las propiedades de los ácidos nucleicos, en especial las peculiares propiedades del ARN, la evolución del ADN y proteínas) llevó a pensar a los científicos que el ARN, más o menos al mismo tiempo que las proteínas, fueron los primeros biopolímeros y que el origen del ARN hizo posible la vida.

Dos escuelas rivales

Entender el origen del ARN implica entender cómo se formaron sus componentes y cómo se ensamblaron. Actualmente no hay una teoría que explique ésto, sino que hay dos grandes hipótesis que conforman dos escuelas rivales. Estas dos escuelas surgen de intentar responder a estas preguntas:

  1. ¿cómo se formaron las bases que forman el ARN? A estas bases (guanina, citosina, uracilo y adenina) las llamaremos bases canónicas
  2. ¿como se formó la ribosa (un azúcar) que forma el ARN?
  3. ¿como se ensamblaron las bases con la ribosa? esto da lugar a los nucleósidos
  4. ¿cómo fue posible que el fosfato se incorporase para formar nucleótidos y cómo se polimerizaron para formar ARN?
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Un ribonucleótido, componente del ARN: la adenosina monofosfato. Esta formado por fosfato, el azúcar ribosa y la base adenina

Aparte de resolver estas cuestiones (que atañen al ARN), quedan otras muchas. La primera gran cuestión está resuelta. La segunda, quizá podría estarlo, con reservas, y en ello, el artículo que comentamos es una gran ayuda. La tercera está pendiente y la cuarta resuelta al 50% y con reservas. En el abordaje de la tercera cuestión, que depende de la segunda, es donde encontramos dos grandes escuelas de pensamiento:

La escuela ribocéntrica

Reacción de la formosa (Imagen: wikipedia)

El problema de los azúcares radica, en primer lugar, en que su origen no está claro. La síntesis abiótica de azúcares aparentemente más probable, y la primera que se planteó, para el origen de la ribosa y otros azúcares, es la reacción de la formosa, a partir de formaldehído. Esta reacción es muy sencilla de realizar, incluso en clase, y su efecto es espectacular: el irritante formaldehído se transforma, espontánea y rápidamente, en una dulce mezcla de azúcares de color miel, con agradable olor a gofres. El problema que encontraron los científicos con ésta reacción es la inestabilidad de la ribosa, transformándose la mezcla fácilmente en una inútil masa marrón. Por otro lado, la incompatibilidad de escenarios entre la formación de azúcares y la formación de las bases hacía pensar que, tal vez, el origen de los azúcares no fue así, por lo que empezaron a proponerse otras ideas: alternativas al papel del azúcar en el ARN, como los PNA; síntesis alternativas de azúcares, como la hipótesis del glioxilato propuesta por Albert Eschenmoser, que es también incompatible con el origen de las bases, por lo que a mi realmente nunca me ha convencido. Yo siempre he pensado que la vía de la formosa es la vía más probable, parsimoniosa y lógica para un origen prebiótico de los azúcares y, de hecho, tenemos un artículo a punto de publicar al respecto. Un gran defensor y estudioso de la vía de la formosa es Steven Benner, cuyos trabajos al respecto son fundamentales. Otros investigadores han propuesto que el azúcar tiene un origen tardío, ligado al nacimiento del metabolismo. Pero una alternativa al azúcar para una molécula previa al ARN sigue siendo problemática.

En cualquier caso, aunque tuviéramos azúcares, existe otro gran problema: la ribosa no se une a las bases canónicas espontáneamente. Por ello, aunque tuviéramos los mismos componentes en el mismo sitio, seguirán sin formarse las moléculas del ARN. John Sutherland propuso una vía química para explicar el origen de los nucleósidos sin necesidad de plantear cuál fue el origen de los azúcares ni cómo se unió la ribosa a las bases. Digamos que haciendo un “bypass” al problema de la formación de nucleótidos.

Forma básica del modelo de Sutherland, que ha ido elaborándose: síntesis de nucleótidos canónicos sin azúcar.

Aunque el modelo de Sutherland, ideado al modo de pensar de los químicos orgánicos, es casi una obra de arte química y una aproximación muy inteligente (lo que dió lugar a numerosas publicaciones de alto impacto) es muy poco probable en condiciones “realistas” naturales. Los productos intermedios nunca se han encontrado en meteoritos ni experimentos de simulación del origen de la vida y solo funciona en el laboratorio de química orgánica. Por ello, nosotros pensamos que el proceso siguió otro camino:

El modelo del “barco de Teseo molecular”

Ya hace 10 años que yo mismo proponía (en un artículo que quizá ha sido el más influyente que hemos escrito hasta ahora) que, junto con las bases canónicas del ARN, se formaban bases ‘no canónicas’ y que éstas pudieron jugar un papel esencial en el origen del ARN, a través de moléculas previas que contenían mayor diversidad de bases. En contraste con intentar buscar el origen de los nucleótidos canónicos, más bien deberíamos plantear que antes del ARN hubo un pre-ARN con estructura y componentes no canónicos, que evolucionó hacia el ARN por selección. Esta idea se ha sustanciado y ha tenido impulso a través de mi mentor, el profesor Nicholas Hud, de Georgia Tech. La idea es conceptualmente sencilla: el ARN no se formó en primer lugar, sino en un camino evolutivo desde una mayor diversidad molecular. Como en la paradoja del “barco de Teseo“, los componentes van cambiando en la molécula, hasta tener el ARN moderno.

Modelo evolutivo propuesto por Nick Hud, en el que el RNA no es el resultado de la síntesis química directa a partir de sus componentes o a partir de una ruta química como la de Sutherland, sino que es un producto de la evolución química desde una serie de moléculas de “pre-RNA”. Yo no estoy de acuerdo en el último paso, pues pienso que el origen del DNA es posterior al propio origen de la vida, formado tras una primera célula con código genético en forma de ARN.

Esta idea tiene un soporte básico fundamental, además del origen conjunto de bases canónicas y no canónicas (representadas como las pastillas verdes y moradas en la figura anterior), es que los nucleósidos no canónicos pueden formarse espontáneamente en presencia de ribosa. Si tenemos una mezcla de azúcares, formada mediante la reacción de la formosa, en presencia de determinadas bases, se forman nucleótidos espontáneamente. Incluso generando los azúcares mediante la vía de la formosa, si hay bases, esto puede dar lugar a nucleósidos. Esto, que estamos a punto de publicar en un artículo, tiene dos aspectos importantes: da una explicación muy sencilla al origen de nucleósidos e implica que azúcares inestables, como la ribosa, pueden ser estabilizados con bases no canónicas, sobreviviendo a la degradación o transformación en masas poliméricas marrones.

Ejemplo de productos de reacciones de formosa. A la derecha, masa viscosa oscura formada por una mezcla de azúcares generada en la reacción. El color oscuro se debe a la formación de sustancias derivadas de azúcares. A la izquierda, mezcla de nucleósidos formada a partir de la reacción de formosa en presencia de bases no canónicas. Los nucleósidos formados pueden incorporarse a un pre-RNA o simplemente, estabilizar los azúcares, impidiendo la formación de masas oscuras y productos de degradación (“tar“)

Importancia del hallazgo de ribosa en meteoritos

En el contexto que he explicado, entonces, podemos ver por qué el hallazgo de azúcares en meteoritos puede ser importante. La mezcla de azúcares encontrada en las muestras es consistente con la reacción de la formosa. Es decir, la mezcla probablemente se generó a través de esa reacción, constituyendo una prueba de que la reacción puede tener lugar en condiciones naturales. Estos azúcares, incorporados en impactos de meteoritos o, en general, por fuentes extraterrestres, resolverían el problema de la compatibilidad entre la formación de azúcares y la formación de bases. Los azúcares, incorporados en un medio rico en materiales orgánicos, reaccionarían con las bases no canónicas, dando lugar a nucleósidos como los de la foto anterior. Aunque la cantidad de azúcares o nucleósidos formada fuera muy pequeña, los nucleósidos tienen la capacidad de seleccionarse y concentrarse por formación de agregados supramoleculares. Por ello, una incorporación sostenida de azúcares, aun en cantidades pequeñas, podría conducir a la acumulación de nucleósidos que impulsarían el proceso de evolución química hacia la vida.

Análisis por GCMS del meteorito NWA801 publicado en Furukawa et al., 2019. Se observan los pequeños picos de las aldopentosas ribosa, arabinosa y xilosa, que se forman en la reacción de la formosa.

Aún quedan muchas preguntas por resolver y muchos aspectos oscuros y especulativos. Pero el hallazgo de una mezcla de productos de reacción de formosa en muestras naturales, específicamente meteoritos, es una buena noticia para nosotros, ya que supone un soporte a nuestro modelo sobre el origen de los ácidos nucleicos. Esto, claro está, si se mantiene o confirma la detección en otras muestras y por otros laboratorios. Aunque las pruebas que aportan los científicos son sólidas, estos análisis son sumamente delicados y muchas las fuentes de error, por lo que la confirmación por otro laboratorio es necesaria.

Si, más adelante, se encontraran más evidencias de la reacción de formosa o de bases no canónicas, en ambientes o muestras extraterrestres, sería una validación de que lo que estamos haciendo en el laboratorio va por el camino correcto, ya que la compatibilidad entre los modelos de laboratorio y la composición de muestras naturales sugiere que los modelos de laboratorio pueden estár en lo correcto. Aun así, aún estamos lejos de una teoría sobre el origen de la vida (si es que llegamos a tenerla alguna vez).

Referencias

Benner, S. A., Kim, H. J., & Carrigan, M. A. (2012). Asphalt, Water, and the Prebiotic Synthesis of Ribose, Ribonucleosides, and RNA. Accounts of Chemical Research, 45(12), 2025–2034. https://doi.org/10.1021/ar200332w

Engelhart, A. E., & Hud, N. V. (2010). Primitive genetic polymers. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2(12), 1–21. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a002196

Furukawa, Y., Chikaraishi, Y., Ohkouchi, N., Ogawa, N. O., Glavin, D. P., Dworkin, J. P., … Nakamura, T. (2019). Extraterrestrial ribose and other sugars in primitive meteorites. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201907169. https://doi.org/10.1073/pnas.1907169116

Hud, N. V., Cafferty, B. J., Krishnamurthy, R., & Williams, L. D. (2013). The origin of RNA and “my grandfather’s axe.” Chemistry and Biology, 20(4), 466–474. https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2013.03.012

Petrov, A. S., Gulen, B., Norris, A. M., Kovacs, N. A., Bernier, C. R., Lanier, K. A., … Williams, L. D. (2015). History of the ribosome and the origin of translation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(50), 15396–15401. https://doi.org/10.1073/pnas.1509761112

Powner, M. W., & Sutherland, J. D. (2011). Prebiotic chemistry: a new modus operandi. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 366(1580), 2870–2877. https://doi.org/10.1098/rstb.2011.0134

2 Comments

  1. Hola Dr

    Excelente artículo. Tengo unas cuantas preguntas. ¿Qué bases no canonicas son las que facilitan la formación de nucleósidos? Supongo que la posibilidad de formación del enlace va a depender de la reactividad de esas bases y los azúcares, por tanto, cuáles son las condiciones idóneas para que se forme el nucleósido?

    Por otro lado ¿ Cuál es su opinión respecto a los sistemas hidrotermales submarinos y evolución química? Supongamos que es posible sintetizar, en condiciones hidrotermales, bases nitrogenadas y azúcares, y que lo más probable es que las moléculas orgánicas en los sistemas hidrotermales submarinos esten en condiciones de <50 °C.

    Saludos y gracias por su tiempo

    Saúl Villafañe-Barajas
    1. Querido Saul, “maik friend” :). Gracias por tu mensaje. Tus preguntas requieren más charla que un simple mensaje así, pero bueno, en lineas generales: “Supongo que la posibilidad de formación del enlace va a depender de la reactividad de esas bases y los azúcares, por tanto, cuáles son las condiciones idóneas para que se forme el nucleósido?”. Así es. Con bases con origen prebiótico, como las de la familia del ácido barbitúrico, los nucleósidos se forman simplemente mezclando la ribosa (u otros azúcares) con la base, en agua, a temperatura ambiente y en casi todo el rango de pH. Así que, en cualquier “charco” prebiótico podrían formarse. Respecto a los sistemas hidrotermales submarinos, el problema es que aunque tengas bases y azúcares y puedas formar nucleósidos no canónicos, la formación de biopolímeros está restringida, ya que en agua no está favorecida. Un medio submarino no favorece reacciones que implican deshidratación y formación de ésteres o amidas, así como condensaciones (como la condensación de urea con electrófilos para formar bases). Personalmente pienso que un sistema hidrotermal submarino no es el lugar idóneo para tener un escenario de evolución química, y todavía no ha podido demostrarse un escenario submarino en el que puedan tener lugar estos procesos.

      cmenorsalvan

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