Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio proponen una nueva vía para la síntesis de pentosas en la Tierra primitiva, cerrando la brecha entre la química prebiótica y los componentes básicos de la vida, con implicaciones para nuestra comprensión de la bioquímica y la astrobiología.
Los científicos están investigando las posibles vías químicas mediante las cuales las pentosas podrían haberse formado en la Tierra primitiva.
Las pentosas son carbohidratos esenciales en el metabolismo de las formas de vida modernas, pero su disponibilidad durante la Tierra primitiva no está clara ya que estas moléculas son inestables. Un nuevo estudio liderado por el Earth-Life Science Institute (ELSI) del Instituto Tecnológico de Tokio, Japón, revela una vía química compatible con las condiciones primitivas de la Tierra y a través de la cual los aldonatos C6 podrían haber actuado como fuente de pentosas sin necesidad de enzimas . Sus descubrimientos proporcionan pistas sobre la bioquímica temprana y nos acercan a la comprensión de los orígenes de la vida.
Un nuevo estudio proporciona pistas sobre la bioquímica temprana y nos acerca a la comprensión de los orígenes de la vida. Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Los primeros desafíos bioquímicos de la Tierra
El surgimiento de vida en la Tierra a partir de sustancias químicas simples es uno de los temas más apasionantes pero desafiantes de la bioquímica y quizás de toda la ciencia. Las formas de vida modernas pueden transformar nutrientes en todo tipo de compuestos a través de complejas redes químicas; Además, pueden catalizar transformaciones muy específicas utilizando enzimas, consiguiendo un control muy preciso sobre qué moléculas se producen. Sin embargo, las enzimas no existían antes de que surgiera la vida y se volviera más sofisticada. Por lo tanto, es probable que en un momento anterior de la historia de la Tierra existieran varias redes químicas no enzimáticas que podían convertir los nutrientes ambientales en compuestos que sustentaban funciones similares a las de las células primitivas.
Pentosas: componentes básicos de la infancia
La síntesis de pentosas es un ejemplo destacado del escenario anterior. Estos azúcares simples, que contienen sólo cinco átomos de carbono, son los componentes fundamentales de ARN y otras moléculas que son esenciales para la vida tal como la conocemos. Los científicos han propuesto y estudiado varias formas en las que las pentosas podrían haberse generado antes del origen de la vida, pero las teorías actuales plantean la pregunta: ¿cómo podrían las pentosas acumularse en cantidades suficientes para participar en reacciones previas a la vida si estos compuestos tienen una vida extremadamente corta?
Para responder a esta pregunta, un equipo de investigación dirigido por el científico investigador Ruiqin Yi de ELSI realizó recientemente un estudio para encontrar una explicación alternativa para el origen y el suministro sostenido de pentosas en la Tierra primitiva. Exploraron una red química libre de enzimas en la que los aldonatos C6, que son carbohidratos estables de seis carbonos, se acumulan a partir de varias fuentes de azúcares prebióticos y luego se convierten nuevamente en pentosas.
(a) Ruta protometabólica de las pentosas propuesta que conduce a la acumulación de aldonatos seguida de oxidación no selectiva a uronatos, migración de carbonilo y β-descarboxilación. (b) Los primeros pasos de la vía de las pentosas fosfato se muestran a modo de comparación. Crédito: Reproducido de Yi et al. 2023 JACS Au
Una nueva vía para la síntesis de pentosas
La vía química propuesta comienza con el gluconato, un aldonato C6 estable que puede haber estado disponible en la Tierra primitiva a través de transformaciones prebióticas conocidas de azúcares básicos. El siguiente paso es la oxidación no selectiva del aldonato C6 a uronato; Aquí, el término «no selectivo» significa que el proceso de oxidación no discrimina entre los distintos átomos de carbono en la estructura del aldonato, dejando cinco posibles resultados de oxidación.
A través de experimentos y análisis teóricos, los investigadores profundizaron en los distintos productos de oxidación para descubrir los detalles de la red de reacción. Curiosamente, descubrieron que no importa dónde se produzca la oxidación, los compuestos de uronato resultantes siempre pueden sufrir una transformación intramolecular conocida como «migración de carbonilo» hasta que se forma el compuesto específico 3-oxouronato. Una vez que se alcanza este estado, el 3-oxouronato se transforma fácilmente en pentosa mediante β-descarboxilación en presencia de Hdosohdos y un catalizador ferroso, ambos compatibles con las condiciones de la Tierra primitiva.
Vinculación de la bioquímica prebiótica y moderna
Después de establecer y probar toda esta compleja red de reacciones, los investigadores notaron una similitud importante con una vía bioquímica moderna. «Demostramos una vía sintética no enzimática para los azúcares de cinco carbonos que se basa en transformaciones químicas que recuerdan a los primeros pasos de la vía de las pentosas fosfato, una vía central del metabolismo», destaca el autor principal, Ruiqin Yi. «Estos resultados demuestran que la síntesis de azúcares prebióticos puede superponerse con las vías bioquímicas existentes». Dado que los azúcares son omnipresentes en el metabolismo moderno, la red de reacciones propuesta podría haber sido importante para el surgimiento de los primeros sistemas realistas.
Implicaciones astrobiológicas e investigaciones futuras.
Los hallazgos de este estudio son importantes en el contexto de la astroquímica y la astrobiología. Los aldonatos se encontraron en abundancia en el meteorito Murchison, un famoso meteorito carbonoso que cayó a la Tierra en 1969. Por el contrario, los carbohidratos canónicos que se encuentran en los sistemas biológicos modernos estaban ausentes en él. Esto implica que los aldonatos pueden formarse y acumularse en condiciones extraterrestres, y el estudio actual sugiere que pueden desempeñar un papel importante en el origen de los componentes básicos de la vida. «Esperamos que este trabajo dé forma a la próxima ola de astrobiología centrándose en los estudios de aldonatos», añade Yi.
En estudios futuros, el equipo de investigación se centrará en si se podrían haber acumulado suficientes aldonatos C6 en la Tierra primitiva para actuar como «nutrientes» para el surgimiento del protometabolismo.
El investigador principal, Ruiqin Yi, concluye: «Queremos comprender mejor cómo se pueden generar estos aldonatos a partir de reacciones prebióticas clásicas del azúcar, como la reacción de formosa y la homologación de Kiliani-Fischer». En particular, estas reacciones prebióticas clásicas de los azúcares no se encuentran en el metabolismo moderno y, por lo tanto, la vía no enzimática propuesta podría actuar como un puente muy necesario entre los azúcares primitivos y los carbohidratos teóricamente utilizados por las primeras formas de vida.
Referencia: “La migración de carbonilo en uronatos ofrece una vía prebiótica potencial para la producción de pentosas” por Ruiqin Yi, Mike Mojica, Albert C. Fahrenbach, H. James Cleaves, II, Ramanarayanan Krishnamurthy y Charles L. Liotta, 7 de septiembre de 2023. JACS Au.
DOI: 10.1021/jacsau.3c00299
