Un accidente químico "imposible" podría explicar el origen de la vida en la Tierra

Markus Ralser nunca pretendió estudiar el origen de la vida. Su investigación se centraba principalmente en cómo se alimentan las células y en cómo estos procesos pueden fallar en organismos estresados o enfermos. Pero hace una década, por pura casualidad, Ralser y su equipo hicieron un descubrimiento sorprendente.

El grupo, con sede en la Universidad de Cambridge (Reino Unido), estaba estudiando la glucólisis, un proceso que descompone el azúcar en una serie de reacciones químicas, liberando energía que las células pueden utilizar. Cuando utilizaron técnicas sensibles para seguir los numerosos pasos del proceso, se sorprendieron al descubrir que algunas de las reacciones parecían "ocurrir espontáneamente", dice Ralser, que ahora trabaja en el Instituto Francis Crick de Londres. En los experimentos de control que carecían de algunas de las moléculas necesarias para las reacciones, algunas partes de la glucólisis se producían de todos modos.

"No puede ser cierto", recuerda Ralser que le dijeron otros científicos.

(Relacionado: Este científico podría haber hallado la clave sobre el origen de la vida: ¿por qué es tan poco conocido?)

Toda célula viva tiene en su núcleo una especie de motor químico. Esto es válido tanto para una neurona del cerebro humano como para la bacteria más sencilla. Estos motores químicos impulsan el metabolismo, los procesos que transforman una fuente de energía como los alimentos en partes útiles y construyen la célula. Los procesos metabólicos, incluida la glucólisis, requieren una gran cantidad de sofisticada maquinaria microscópica para seguir funcionando. Pero el equipo de Ralser descubrió que uno de estos motores podía funcionar por sí solo, sin varias de las complejas moléculas que los científicos creían necesarias.

Desde el hallazgo, una ola de entusiasmo se ha extendido entre los investigadores que estudian los orígenes de la vida. Al fin y al cabo, si esto pudo ocurrir en un tubo de ensayo, tal vez también pudo ocurrir hace miles de millones de años en un respiradero volcánico de las profundidades marinas, o en la tierra en piscinas termales, o en algún otro lugar con mucha actividad química y material orgánico. Incluso puede ser que las reacciones metabólicas iniciaran la cadena de acontecimientos que condujo al nacimiento de la vida.

Algunos equipos trabajan ahora para crear estos motores químicos desde cero. Además de la glucólisis, los científicos han recreado partes de otros procesos celulares fundamentales, como el ciclo inverso del ácido cítrico, o ciclo de Krebs inverso, que se cree que apareció por primera vez en células muy antiguas.

Esta nueva y apasionante área de investigación ha hecho que los científicos se replanteen los pasos que podrían haber conducido al primer organismo vivo, y les ha obligado a enfrentarse de nuevo a una vieja cuestión: ¿cómo podemos definir la vida en sí misma?

Orígenes enigmáticos

Cómo empezó la vida es uno de los mayores misterios pendientes de la ciencia. Sabemos que ocurrió al principio de la historia de nuestro planeta porque hay microorganismos fósiles en rocas depositadas hace 3500 millones de años, apenas mil millones de años después de la formación de la Tierra. Pero aún no se sabe cómo y dónde ocurrió.

Un problema clave es que los organismos vivos son extraordinariamente complicados. Incluso la célula bacteriana más sencilla tiene cientos de genes y miles de moléculas diferentes. Todos estos componentes trabajan juntos en una intrincada danza, introduciendo alimentos en la célula y expulsando residuos, reparando daños, copiando genes y mucho más.

La escala de esta complejidad queda ilustrada por una investigación publicadaen 2021 que compara el ADN de 1089 bacterias, que son los organismos vivos más simples. Los investigadores, dirigidos por la bioingeniería Joana C. Xavier, que en aquel momento trabajaba en la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (Alemania), buscaron familias de proteínas que fueran comunes a todas las especies de bacterias, ya que era probable que fueran realmente antiguas: se remontaban a más de 3000 millones de años hasta el último ancestro común de todas las bacterias. Encontraron 146 familias de proteínas de este tipo, lo que revela que incluso las primeras bacterias eran extraordinariamente intrincadas y el producto de un largo período de evolución.

Todas las hipótesis sobre el origen de la vida intentan despojarse de esta complejidad e imaginar algo mucho más simple que podría haber surgido espontáneamente. La dificultad estriba en decidir cómo habría sido esta protovida. ¿Qué partes de las células vivas que vemos hoy fueron las primeras en formarse?

Se han propuesto muchas ideas, como una molécula capaz de copiarse a sí misma, como una cadena de ARN, o una "burbuja" o "mancha" de grasa que podría haber actuado como estructura fundacional de una célula. Pero un grupo cada vez mayor de científicos cree que antes de los genes o las paredes celulares, lo primero que necesitó la vida fue un motor.

(Relacionado: Cristales de 4000 millones de años aportan pruebas del origen de la vida)

El primer metabolismo

La vida es fundamentalmente activa. Incluso en organismos aparentemente inmóviles como los árboles, hay una actividad furiosa a escala microscópica.

Xavier, que ahora trabaja en el University College de Londres, compara una célula viva con un vaso de agua con un orificio en el fondo y un grifo que se vierte. Si los dos flujos son iguales, el volumen de agua en el vaso sigue siendo el mismo, "pero hay una transformación en marcha".

Del mismo modo, todo ser vivo toma nutrientes y los utiliza para construir y reparar su cuerpo. En el caso de los seres humanos, eso significa comer alimentos y luego utilizar nuestro sistema digestivo para descomponerlos en sustancias químicas simples que nuestro cuerpo pueda utilizar.

Otros organismos obtienen su energía de la luz solar o de sustancias químicas como el metano, pero se aplica el mismo principio. Miles de reacciones transforman constantemente una sustancia en otra y transportan las cosas a donde se necesitan. Todos estos procesos constituyen el metabolismo de un organismo. Si el metabolismo se detiene, el organismo muere.

La química del metabolismo es tan importante para la vida que muchos investigadores creen que debió estar en el núcleo de las primeras células vivas. Una vez que el motor metabólico estaba en marcha, se pensaba que podía crear las demás sustancias químicas que necesita la vida y que, poco a poco, las células se irían formando solas, dice Joseph Moran, de la Universidad de Estrasburgo (Francia).

Sin embargo, todas las hipótesis sobre el origen de la vida basadas en el metabolismo se enfrentan al mismo problema: el metabolismo, como la vida misma, es extraordinariamente complejo. En el estudio de Xavier sobre el último ancestro común bacteriano, estimó que los genes de este antiguo organismo podían producir 243 sustancias químicas mediante procesos metabólicos, así como transformar unas sustancias químicas en otras.

Incluso las vías individuales del metabolismo son intrincadas. Por ejemplo, el ciclo del ácido cítrico, o ciclo de Krebs, que es una de las formas en que las células pueden extraer energía de los nutrientes. Como su nombre indica, comienza con el ácido cítrico, la sustancia química que da a los cítricos su sabor picante. Éste se convierte en una segunda sustancia llamada cis-aconitum, y luego en otras siete sustancias químicas antes de que el último paso vuelva a crear el ácido cítrico. A lo largo del proceso, se producen una serie de sustancias químicas biológicas que se distribuyen al resto de la célula.

Es difícil imaginar cómo un proceso tan intrincado pudo comenzar por sí mismo. Para complicar aún más las cosas, cada paso está controlado por una molécula llamada enzima, que acelera las reacciones químicas en cuestión. Para que un proceso como el ciclo de Krebs funcione, se necesitan enzimas. Pero las enzimas son moléculas complicadas que sólo pueden fabricarse a través del metabolismo, bajo el control de los genes.

Así pues, los científicos se enfrentan al dilema bioquímico del huevo o la gallina: ¿qué fue primero, el motor químico para construir la célula o los mecanismos celulares necesarios para construir el motor?

Poner en marcha los motores de la vida

Después de que Ralser y su equipo hicieran su descubrimiento inicial a principios de la década de 2010, decidieron seguir investigando las reacciones metabólicas que podían funcionar por sí solas. Disolvieron 12 sustancias químicas diferentes que se utilizan en la glucólisis, cada una por su cuenta, en agua pura. A continuación, calentaron las muestras a 70 °C durante cinco horas, imitando las condiciones cercanas a un volcán submarino. En los experimentos comenzaron a producirse 17 reacciones químicas, bien de la glucólisis o de una vía metabólica relacionada.

A continuación, Ralser se puso en contacto con Alexandra Turchyn, geoquímica de la Universidad de Cambridge, que le facilitó una lista de sustancias químicas que se cree que estaban disueltas en el océano primigenio, incluidos metales como el hierro y el sodio. El equipo los añadió a sus mezclas para ver si hacían que las reacciones funcionaran mejor.

"Obtuvimos un resultado, que fue el hierro", dice Ralser. En 2014 tenían 28 reacciones que funcionaban, incluido un ciclo metabólico completo. El equipo se basó en sus resultados iniciales, demostrando en 2017 que podían hacer una versión del ciclo del ácido cítrico impulsado por el sulfato, y que podían hacer azúcares a partir de sustancias químicas más simples en un proceso llamado gluconeogénesis (aunque esto último tenía que hacerse en hielo).

La idea de los ciclos metabólicos sin enzimas fue retomada por Moran en la Universidad de Estrasburgo, en colaboración con su antigua alumna Kamila Muchowska. Han logrado avances similares con otros procesos metabólicos, como la vía del acetil-CoA, que convierte el dióxido de carbono en acetil-CoA, una de las sustancias químicas más importantes del metabolismo.

Pero de los muchos mecanismos de la vida, los científicos han vuelto una y otra vez al ciclo inverso del ácido cítrico. Este proceso, que es esencialmente el ciclo del ácido cítrico al revés, es utilizado por algunas bacterias para fabricar compuestos complejos de carbono a partir de dióxido de carbono y agua. Y hay pruebas de que es extremadamente antiguo.

Al igual que Ralser, Moran y Muchowska utilizaron metales como el hierro para impulsar reacciones químicas en el laboratorio. En 2017 fueron capaces de desencadenar seis de las 11 reacciones del ciclo inverso del ácido cítrico, y dos años después encontraron reacciones adicionales. 

"No llegamos a producir el ciclo completo", dice Moran. Pero se están acercando.

No todo es biología 

A pesar del entusiasmo, los científicos están divididos en cuanto a si los ciclos celulares completos podrían realmente ocurrir sin enzimas que faciliten el proceso. Para Ramanarayanan Krishnamurthy, del Instituto de Investigación Scripps de La Jolla (California, Estados Unidos), no es convincente reproducir sólo partes de un ciclo.

(Reacionado: Así afectaron las corrientes marinas al nacimiento de la vida en la Tierra)

"Es como romper un tarro de cristal en pedazos y luego decir: Los trozos proceden del tarro, por lo tanto puedo juntar el tarro", dice.

Krishnamurthy y sus colegas están intentando un enfoque diferente. "Nos estamos desconectando de la biología", dice, porque lo que ocurre en las células hoy es una guía imperfecta de lo que ocurrió hace miles de millones de años. "Voy a dejar que la química me guíe".

En 2018, el equipo de Krishnamurthy demostró un nuevo motor metabólico que consta de dos ciclos y funciona sin enzimas. "Pasamos por alto algunas de las moléculas más inestables, algunos de los pasos más difíciles que la biología es capaz de hacer maravillosamente debido a las enzimas evolucionadas altamente sofisticadas", dice Krishnamurthy. Sugiere que el proceso resultante podría haber sido un antiguo precursor del ciclo de Krebs inverso.

Más recientemente, su equipo ha experimentado con la adición de cianuro, que se cree que era abundante en la Tierra primigenia. Investigaciones anteriores han demostrado que el cianuro puede producir muchas de las sustancias químicas de la vida porque es muy reactivo, pero no está claro si el cianuro realmente desempeñó un papel en el origen de la vida porque es venenoso para los organismos reales. No obstante, el equipo de Krishnamurthy ha demostrado que el cianuro puede activar motores metabólicos que se asemejan a algunas de las funciones de la vida.

Moran se muestra escéptico con este enfoque porque estos motores alternativos no producen algunas de las sustancias químicas clave de la vida. "No entiendo por qué querrías hacer eso", dice.

Queda por ver si se pueden hacer funcionar versiones completas de todos los ciclos metabólicos actuales sin enzimas, o si la primera vida tuvo que conformarse con versiones alternativas y simplificadas como las que ha hecho Krishnamurthy.

¿Un motor viviente?

La capacidad de imitar los procesos de la vida en formas simplificadas ha llevado a una profunda pregunta: ¿En qué momento llamaríamos a estos sistemas químicos "vida"? Si un motor metabólico zumba en un frasco de vidrio, ¿está vivo?

La mayoría de los científicos diría que no. Para que algo esté vivo, "tenemos que tener un sistema lo suficientemente complejo como para que pueda metabolizar y replicarse", dice Ralser. Un motor metabólico por sí solo no hace eso, pero es un paso en el camino hacia algo que sí puede hacerlo.

"Nadie ha definido realmente la vida", dice Krishnamurthy, y hay muchos casos límite. Por ejemplo, muchas definiciones de la vida especifican que un organismo debe ser capaz de reproducirse, pero los animales sexuales individuales no pueden reproducirse sin una pareja, así que según estas definiciones estrictas, un conejo solitario no está vivo.

"Todo lo que hay entre lo no vivo y lo vivo es un gradiente", dice Muchowska. Los motores metabólicos no son totalmente inanimados, como las rocas, ni totalmente vivos, como una bacteria.

La vida, en cierto sentido, es una especie de accidente químico, una danza giratoria que no se ha detenido en más de 3500 millones de años. No importa cómo la definamos, esa danza continúa, perfeccionando lentamente la maquinaria biológica que construyó las infinitas formas de la Tierra más bellas y maravillosas.